论文部分内容阅读
本文以较大长径比典型钙钛矿型钛酸锶钡纤维(Ba0.6Sr0.4TiC3 NFs,BSTNFs)和钛酸钡纤维(BaTi03 NFs,BT NFs)的制备为目标,采用溶胶-凝胶结合静电纺丝法,借助正交试验设计法,以乙酸钡和乙酸锶为钡源和锶源、钛酸四丁酯为钛源,对纺丝液配比、溶剂体系、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)增稠剂和针尖与接收器间距、纺丝液流率与纺丝电压及煅烧温度等工艺条件进行了优化;在此基础上,分别将制备的两种陶瓷纤维与聚偏氟乙烯(PVDF)进行复合,制备BST NFs/PVDF和BT NFs/PVDF复合材料,探究了纤维含量对复合材料储能性能的影响,取得如下研究结果。在摩尔比([Ba]+[Sr])/[Ti]为 1.07,PVP 含量 8.7 wt%,乙酸-N,N-二甲基甲酰胺(DMF)-乙酰丙酮为溶剂体系,针尖与接收器间距18 cm、纺丝液流率1 mL/h和纺丝电压19 kV等优化的纺丝参数下得到PVP-Ba0.6Sr0.4TiO3复合纤维,经900℃煅烧3 h后制备出了直径约200 nm且最大长径比为130:1的BST NFs(记为3h-BST NFs);并且在摩尔比[Ba]/[Ti]为1.07,PVP含量8.6 wt%,乙酸-DMF-乙酰丙酮为溶剂体系,针尖与接收器间距21 cm、纺丝液流率0.5 mL/h、纺丝电压21 kV等优化的纺丝参数下得到PVP-BaTi03复合纤维,经900℃煅烧3 h后制备了直径约200 nm且最大长径比为125:1的BTNFs(记为3h-BTNFs)。采用SPSS软件对静电纺丝参数连续变化下的BT NFs长径比连续分布情况的模拟,结果显示,纤维最大长径比为135:1与实验结果的125:1相近,说明实验数据是合理的。分析溶剂对纤维形貌影响过程发现,乙酰丙酮起催化剂作用,使纤维更长;乙酸平衡和稳定水解-聚合过程,改善纤维表面形态;DMF增大纺丝液黏度及表面张力,使纤维直径减小;乙醇易挥发,使纤维直径增大且表面有裂痕。研究了 3h-BST NFs添加量对BSTNFs/PVDF复合材料储能密度的影响,结果发现,3h-BST NFs添加量为1 vol%时,材料介电常数较高为11.71,击穿场强最大为345.5 kV/mm,储能密度达到最大为6.18 J/cm3,是多孔球状BST NPs/PVDF复合材料的1.67倍。还对比研究了添加1 vol%的3h-BT NFs和球形BaTiO3所得复合材料的储能密度,结果发现,3h-BT NFs/PVDF复合材料储能密度为6.01 J/cm3,是BT NPs/PVDF复合材料的1.57倍。储能密度的提高可归因于大长径比纤维的添加,其增强了复合材料内部界面的极化强度。