聚偏氟乙烯基高介电储能薄膜的制备与性能研究

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在电子电力系统的快速发展的背景下,体积小、重量轻、加工特性好的薄膜电容器的研究越来越受到重视。有机聚合物的击穿场强很高,并且加工性能优异,但是极化性能较差。陶瓷材料的极化性能良好,但是其加工性能差、制备成本高,并且击穿场强很低。因此,单一的电介质材料很难满足薄膜电容器的应用需求。制备聚合物基纳米复合材料是解决上述问题的有效方法,但是高表面能的纳米材料极易团聚,纳米粒子与聚合物基体间相容性较差,纳米粒子与聚合基体间的介电常数相差较大,这些原因造成局部电场分布不均,使得纳米复合材料策略在应用中遇到了诸多问题。通过对纳米粒子进行表面改性,可以大幅度的提升纳米粒子与聚合基体间的相容性。把单层薄膜制备成多层薄膜,能够以巧妙的方式忽略纳米粒子与基体间电场不均匀分布所带来的影响,同时提高击穿强度和介电常数。本文以聚偏氟乙烯(PVDF)、偏氟乙烯与三氟乙烯的共聚物(P(VDF-TrFE))、偏氟乙烯与六氟丙烯的共聚物(P(VDF-HFP))为基体,以γ-甲基丙烯酰基-丙基三甲氧基硅烷(MPMS)、多巴胺(PDA)为表面修饰剂,以钛酸钡(BT)纳米粒子、TiO2纳米粒子等为填充粒子,制备了交联MPMS@BT/P(VDF-TrFE)纳米复合体系、异质PMMA/P(VDF-TrFE)全有机多层膜结构体系、多层膜结构BT/P(VDF-HFP)纳米复合体系以及TiO2@PDA@Ag纳米纤维/PVDF复合体系的电介质材料,从而获得高储能性能:1.结合纳米复合和辐照交联的研究思路,在PVDF基BT纳米粒子复合薄膜中通过辐照交联的方式构造多个非晶区与结晶区界面,获得了较为优异的能量储存性能。通过辐照交联,使得薄膜中的晶粒尺寸减小,并增加非晶区与结晶区界面,提高了能量密度以及能量效率,释放能量密度是未经过辐照处理样品的1.34倍,是商用双轴取向聚丙烯的4.76倍。2.结合三明治结构和全有机电介质材料的研究思路,通过逐层铺膜的方式制备了以PMMA或PMMA/P(VDF-TrFE)共混物为外层、P(VDF-TrFE)为内层的三明治结构薄膜。通过降低外层PMMA厚度和极性,有利于三明治薄膜体现类反铁电性,获得了优异的能量储存性能(释放能量密度11.72 J/cm3、释放能量效率 50.4%)。3.从三明治结构薄膜的思想出发,设计制备了基于BT纳米粒子和P(VDF-HFP)的三明治结构薄膜和五层膜结构薄膜,通过控制各层中BT纳米粒子含量,并进行了合理的层间结构调控,提升了能量储存性能。五层膜结构薄膜等价于两个三明治结构薄膜的串联,能量密度达到11.65 J/cm3。4.通过对纳米纤维的表面进行改性,制备了TiO2纳米纤维、TiO2@DPA、TiO2@DPA@Ag等表面修饰纳米粒子及与PVDF的纳米复合薄膜。研究发现,TiO2@PDA@Ag/PVDF复合薄膜中表现出最为优异的储能性能(能量密度10.43 J/cm3),这归因于纳米纤维的各向异性,能够有效的阻止漏电流的发展,而且在纳米纤维表面附着单原子银后,能够形成电荷限制效应,降低了复合薄膜的介电损耗,从而使能量密度得到有效提升。
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