储能用陶瓷与聚合物复合材料性能研究

作     者：付靖 

作者单位：北京工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：侯育冬

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：熔盐法 一维材料 FeTiNbO6 复合材料 储能 

摘      要：高技术领域的迅猛发展对介电材料的电性能与可加工性提出了更高的要求。基于协同原理,结合陶瓷和聚合物各自的优势,将具有高介电常数、低损耗的陶瓷材料与高击穿场强、柔性的聚合物材料通过适当方法进行组合,可以构建出新型有机无机复合材料,在保持高介电常数的同时,具备良好的加工性能,在嵌入式电容器领域具有应用前景。本文主要以BaTiO3-polyvinylidene fluoride(BT-PVDF)复合材料为目标体系,系统研究了微观结构与介电性能的关联性,包括:影响填料极化性能的尺寸与形状因素,有机无机界面相容性等,通过结构设计与工艺调控提升复合材料的介电性能。此外,选取新型巨介电材料Fe TiNbO6作为填料,研究了FeTiNbO-PVDF复合材料的介电行为变化规律。BT-PVDF复合材料是一种研究广泛的有机无机复合材料。然而,现有研究中仍然存在一些问题阻碍其介电性能的提升,例如:具有高极化特性填料的选取,有机无机界面的改善等。因此,深入研究铁电尺寸效应以及填料的表面改性对于发展高性能BT-PVDF复合材料极为重要。在本文中,首先基于熔盐化学原理,通过调节煅烧温度获得不同颗粒尺寸的BT粉体,依据X射线衍射精修数据对填料自发极化性能进行研究。结果显示,平均尺寸600nm的BT粉体具有强极化特性。进一步,利用水溶性的polyvinylprrolidone(PVP)对600nm尺度的BT粉体进行表面包覆,成功构建核-壳结构,改善填料在PVDF基体中的分散性,从而显著提升BT-PVDF复合材料的介电常数与储能密度。另一方面,系统研究了BT粉体一维结构对BT-PVDF复合材料介电性能的影响规律。已有研究发现,以一维纳米结构铁电材料作为填料的复合材料相比于同组分颗粒填料的复合材料有着更高的介电性能。由于聚合物本身良好的加工性能,可以控制一维铁电材料在聚合物基底中的取向排列,从而在外电场作用下提升极化强度,获得优异的介电性能。但是,相对于颗粒填料而言,一维铁电填料的合成更为复杂。因此,寻找一种简单且可大量合成一维铁电材料的方法极为重要。在本工作中,基于局部化学拓扑原理,通过熔盐法制备BT一维材料,分析生长机制,并对不同形貌BT与PVDF的复合材料的介电与储能性能进行对比。FeTiNbO(FTN)是新发现的具有高介电常数的电介质材料(10405),并且具有较高的居里温度(550K)。在我们的另一项工作中,以FTN为填料,构建了FTN-PVDF复合电介质材料。首先,通过常规固相法合成结晶性良好的FTN颗粒。然后,通过热压工艺,进一步制备了FTN均匀分散的FTN-PVDF复合材料。相比于广泛研究的BT-PVDF等复合材料,在相同的填充体积比下,FTN-PVDF复合材料显示更高的介电常数。通过电介质理论以及微结构演化分析,我们认为其高介电常数来源于三个因素,包括:半导化性质的FTN巨介电填料,随着FTN体积分数增加而逐渐形成的微电容结构以及渗流现象的产生。本论文进行的复相材料结构设计与相关介电理论分析工作对于发展新型复相材料有很好的借鉴价值,相关材料体系有望进一步优化应用于嵌入式电容器。