钛酸钡/氮化硼/聚酰亚胺复合材料的制备和性能研究

来源 :武汉理工大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:tangweichao
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电力储能的关注日益增加,对柔性电介质材料的研究引发了极大的兴趣。为了满足新兴高能量密度(UE)-电容器的应用,如混合动力汽车和电子武器系统,对先进介电材料的综合性能,包括高能量、高功率密度、良好的加工性能、环保和灵活的能量存储等提出了很高的要求。在聚合物基体引入无机粒子形成复合介电材料是实现这一目标最有希望的途径之一。本文首先在尿素水溶液中通过超声剥离原始六方氮化硼(h-BN),成功得到了高质量和产率的氮化硼纳米片(BNNS),并初步研究其剥离机理。并先后通过流延和热亚酰胺化法,制备出具有高击穿场强的氮化硼纳米片/聚酰亚胺(BNNS/PI)双相复合薄膜和高储能密度的钛酸钡/氮化硼纳米片/聚酰亚胺(BaTiO3/BNNS/PI)三相复合薄膜。具体研究内容如下:(1)采用尿素水溶液作为溶剂,通过超声法剥离h-BN来制备BNNS,通过探讨其剥离h-BN的机理,得出在氮化硼边缘接枝氨基对剥离有很大的影响。通过透射电镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、扫描电镜(SEM)的微观形貌分析,表明所制备BNNS具有层数少、横向尺寸在400 nm左右的形貌特征。通过X电子衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)以及光电子能谱(XPS)的结构分析,进一步说明所制备的BNNS片层较少,结构基本保持稳定,并且从机理上解释了氨基的存在。(2)利用剥离的BNNS与聚酰亚胺前驱体聚酰胺酸(PAA)进行复合,经流延和热亚酰胺化制备出BNNS/PI杂化薄膜,并初步研究了它的热学和介电性能。通过TG-DSC综合热分析仪分析发现,添加BNNS能够有效提高PI薄膜的热稳定性。通过介电性能分析发现,制备的BNNS/PI薄膜复合材料随BNNS添加量的增加,介电常数增加,介电损耗下降,击穿场强先升高后下降,在12 wt.%的体积分数下,击穿场强最大。(3)为了进一步提高薄膜材料的介电常数,在BNNS的添加量为12 wt.%的基础上,向BNNS/PAA中加入具有高介电常数的钛酸钡纳米粒子,经流延和热亚酰胺化制备出BT/BNNS/PI三元杂化薄膜。研究结果表明,与PI相比,在BT的添加量是15 wt.%时,三相复合薄膜的介电常数增加了50%,击穿场强提高了49%,储能密度提高了400%。这说明两种纳米材料的添加,能够有效的提高材料的储能密度。
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