基于金属-绝缘复合填料的聚合物薄膜介电和储能性能的研究

作     者：魏世鑫 

作者单位：宁波大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李伟平

授予年度：2020年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：复合结构填料 纳米复合薄膜 储能密度 充放电效率 

摘      要：随着高尖端电子产业和清洁能源技术的不断发展,绿色环保、节能高效的新型能量存储设备成为了科研人员攻关的目标。而聚合物基电介质薄膜电容器因其功率密度大、储能效率高、柔韧性出色等优点受到人们的广泛关注,但是目前其较小的介电常数,较大的漏电损耗都限制了其储能表现的进一步提高。为了解决这类问题,向聚合物基体中填充高介电的纳米填料、对填料表面进行有机修饰等多种方法被大量使用,虽然复合材料的介电性能因此而改善,但是往往是以柔韧性变差、击穿场强下降为代价。因此,如何在提高复合材料储能密度的基础上,保持其出色的柔韧性和充放电效率成为其能否广泛应用的前提。本文以PVDF基有机聚合物为基体,通过设计金属-绝缘复合结构填料和有机修饰等手段,探究了金属-绝缘复合填料在聚合物基体中的微观形貌、相结构、介电性能以及储能特性。本文最先介绍了FeO纳米颗粒的高介电性能,利用表面包覆绝缘层的方法来降低填料整体的电导率,制备出的FeO@Ti O-P(VDF-HFP)三相复合薄膜可以在低填充量、低电场下,最大极化可达8.9μC/cm,同时储能密度和充放电效率分别为8.6 J/cm和61.7%,显著提高复合材料的极化强度和储能性能,但不足之处是击穿场强只有261.9k V/mm。为了进一步降低漏电损耗、提高击穿场强,我们又研究了一维Na Nb O纳米线经过有机乙二胺修饰后制备的Na Nb O@EDA-P(VDF-HFP)复合薄膜的电学性能。研究结果显示,当填料含量仅为1vol.%时,复合薄膜的击穿场强达到399.3 k V/mm,储能密度为9.23 J/cm,值得注意的是介电损耗只有0.021,这说明经过有机修饰后的一维高长径比陶瓷纳米线,能够在提高复合材料击穿场强的同时降低损耗。最后,在前两个结论的基础上,我们在电导率较低的一维Ti O纳米线表面包覆少量FeO微粒以增强介电性能,再利用乙二胺修饰进一步降低漏电损耗,最终得到Ti O@FeO@EDA杂化结构纳米填料。当含量为2 vol.%的填料加入到PVDF中制备的Ti O@FeO@EDA-PVDF复合薄膜显示出,储能密度为13.64 J/cm、充放电效率为63.5%的优异性能。