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高介电P（VDF-HFP）基储能纳米复合薄膜研究

高介电P（VDF-HFP）基储能纳米复合薄膜研究

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作者：梅文臣常州大学

学位级别：硕士

随着电子产业的蓬勃发展,传统的无机非金属或聚合物介电材料已不能满足储能元器件对其的性能要求。聚(偏氟乙烯-六氟丙烯),P(VDF-HFP),和钛酸锶钡(BST)因分别具有较高的击穿强度()和介电系数(),而有望通过“材料复合”的方法,获得和都... 详细信息

随着电子产业的蓬勃发展,传统的无机非金属或聚合物介电材料已不能满足储能元器件对其的性能要求。聚(偏氟乙烯-六氟丙烯),P(VDF-HFP),和钛酸锶钡(BST)因分别具有较高的击穿强度()和介电系数(),而有望通过“材料复合”的方法,获得和都明显提升的高性能新型介电复合材料。同时,通过便捷、低成本的淬火工艺对存在“多晶型”现象的P(VDF-HFP)中的晶相进行调控,也有助于改善介电复合材料的综合性能。该研究对于改进现有电子储能元器件的介电性能和储能性能具有重要参考意义。通过溶液铸造法制备纯P(VDF-HFP)纳米薄膜,并对薄膜试样进行淬火处理。研究了淬火加热温度对纯P(VDF-HFP)纳米薄膜组织性能的影响,从而确定使纯P(VDF-HFP)介电和储能性能获得改善的最佳淬火加热温度。在此基础上,以P(VDF-HFP)为基体,BST为填料,通过溶液铸造法制备P(VDF-HFP)/BST纳米复合薄膜,并以纯P(VDF-HFP)薄膜的最佳淬火加热温度对复合薄膜进行淬火处理。系统研究了BST含量对纳米复合薄膜组织性能的影响,从而确定使P(VDF-HFP)/BST复合薄膜介电和储能性能获得改善的最佳BST含量。利用SEM、XRD和DSC表征薄膜试样的微观形貌、物相组成和热学性质,阻抗分析仪测试薄膜试样在弱电场下介电系数与介电损耗的频率依赖性和温度依赖性,高压供应/放大器/控制器测试系统测试薄膜试样在恒定电场下的击穿行为,铁电分析仪测试薄膜试样在高压电场下的P-E磁滞曲线。研究发现:在低频测试条件下,经160°C加热温度淬火处理的纯P(VDF-HFP)薄膜的介电系数大于经其他加热温度淬火处理的纯P(VDF-HFP)薄膜的介电系数,这是由于纯P(VDF-HFP)薄膜中在经160°C加热温度淬火处理过程中发生“α相→β相”相变;且相应地,结晶度从经150°C加热温度淬火处理的薄膜的17.81%下降到160°C对应的16.43%;经160°C加热淬火处理的薄膜试样获得最大充电能量密度12.02J/cm和最大放电能量密度6.38 J/cm,相较于其他淬火加热温度,薄膜的充电能量密度和放电能量密度最大能分别提升27.4%和40.2%。需要指出的是,薄膜的击穿强度随着淬火加热温度的升高而逐渐降低,这显然不利于其储能性能的提高。然而,考虑到击穿强度的降低幅度较薄膜介电系数的提升幅度较小,如,经加热温度为180°C淬火处理的薄膜的击穿强度仅比经加热温度为150°C淬火处理的薄膜的击穿强度低5.91%,所以,得到结论:160°C是使纯P(VDF-HFP)薄膜综合性能改善的最佳淬火温度。随着BST含量的增大,P(VDF-HFP)/BST纳米复合薄膜的介电系数显著上升,介电损耗略有下降,击穿强度逐渐减小,薄膜的充电能量密度显著增大;介电系数的实测值与Maxwell-Wagner理论模型基本吻合,表明填料和基体结合良好,薄膜材料内部组织均匀,无明显缺陷。从实际应用的角度讲,外加电场强度低于800 k V/cm或介于800 k V/cm与2100k V/cm之间时,为了获得最大的放电能量密度,应分别选用BST含量为30 vol.%或20 vol.%的P(VDF-HFP)/BST复合薄膜材料。此外,在决定P(VDF-HFP)/BST纳米复合薄膜介电性能的温度依赖性的过程中,P(VDF-HFP)基体起主要作用。

关键词：纳米复合薄膜 BST 淬火溶液铸造法储能性能

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