聚偏氟乙烯基复合介质制备及电性能研究

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高性能的储能材料在先进的电子和脉冲电力系统中是至关重要的,与无机陶瓷介电材料相比,聚合物电介质具有更高的介电强度和更强的灵活性,是一种很有前途的储能材料。然而,由于聚合物本身具有低的介电常数和铁电性能,储能能力受到了限制。因此,本文通过对无机填充相的微观结构调控及聚偏氟乙烯基复合材料的多层结构设计,提出了一种制备高储能密度材料的新思路。首先,由于0.5Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3(BZT-BCT)作为一种钙钛矿结构的陶瓷,具有优秀的铁电体电滞特性,本文利用溶胶凝胶法和静电纺丝法分别制备了0.5Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3纳米颗粒(BZT-BCT NPs)和0.5Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3纳米纤维(BZT-BCT NFs),并利用溶液涂膜法制备了BZT-BCT NPs/PVDF和BZT-BCT NFs/PVDF两种复合介质,并对其进行了介电性能和储能特性研究。研究发现,一维的BZT-BCT NFs在各方面均表现出优异的性能。10 vol.%BZT-BCT NFs/PVDF的介电常数达到最高的17.33,5 vol.%BZT-BCT NFs/PVDF击穿场强达到了310 kV/mm,储能密度达到近7.8J/cm3,充放电效率保持在50%左右。在此研究基础之上,本文又对不同结构的三明治结构复合介质进行了研究。由于六方氮化硼(BN)具有良好绝缘性能、优异导热性能、低损耗等特性,本文将其作为中间层填充相,制备Fe3O4@BNNSs-PVDF(Fe3O4@BN-P)中间层复合介质;此外,本文将具有高介电常数的BZT-BCT NFs作为外层填充相,制备了BZT-BCT NFs-PVDF(B-P)外层复合介质,最终热压成B-P/Fe3O4@BN-P/B-P复合三明治结构,同时设计B-P/BN-P/B-P和P/Fe3O4@BN-P/P两个复合三明治结构作为对比。研究结果表明,B-P/Fe3O4@BN-P/B-P三明治结构复合介质的性能明显增强。在100 Hz下,B-P/5vol.%Fe3O4@BN-P/B-P的介电常数达到17;在350 kV/mm的外加电场下,B-P/5vol.%Fe3O4@BN-P/B-P的储能密度达到最大值8.9 J/cm3。
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