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氧化石墨烯/聚芳醚腈复合材料的制备及在薄膜电容器中的应用

氧化石墨烯/聚芳醚腈复合材料的制备及在薄膜电容器中的应用

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作者：唐晓赫电子科技大学

学位级别：硕士

21世纪以来,随着不断增加的能源需求,以及化石燃料带来的环境污染,寻找新的清洁、高效能源迫在眉睫。在新兴的能源当中,薄膜储能电容器拥有的诸多优势使其成为研究热点之一,相比于其它储能装置,薄膜电容器电容量稳定性很高、充放电效率... 详细信息

21世纪以来,随着不断增加的能源需求,以及化石燃料带来的环境污染,寻找新的清洁、高效能源迫在眉睫。在新兴的能源当中,薄膜储能电容器拥有的诸多优势使其成为研究热点之一,相比于其它储能装置,薄膜电容器电容量稳定性很高、充放电效率快、制作成本低廉、绿色清洁、有宽广的应用温度范围以及运行性能稳定的优点,在追求高效率且绿色环保的当代社会,薄膜电容器的应用范围逐渐扩大,包括航海、航空、军事等领域,在通讯设备、电子器件装置等民用领域中也发挥着越来越重要的作用。材料学的不断进步带给了薄膜储能电容器丰富的发展空间,在众多的发展方向中,研究出高储能密度的介电材料是提升电子元器件储能特性的核心。聚芳醚腈是一种具有优异性能的特种高分子工程材料。其优良的高热稳定性、力学性能、加工性能等方面满足了薄膜储能电容器的基本要求。然而与大部分聚合物一样,聚芳醚腈的介电常数相比无机陶瓷介电材料要低很多,因此为了提高聚芳醚腈的储能应用,本文通过物理和化学方法对聚芳醚腈材料的介电性能进行提升,获得高储能密度聚芳醚腈材料,以满足其在薄膜电容器中的应用。首先,本文通过2,6-二氯苯腈与联苯二酚反应,制备了联苯型聚芳醚腈,通过红外测试,证明成功合成了联苯型聚芳醚腈。然后采用流延法制作聚芳醚腈薄膜。将得到的聚芳醚腈薄膜与聚丙烯薄膜和聚偏氟乙烯薄膜进行储能性能测试。DSC测试聚芳醚腈玻璃化转变温度为216℃,TGA测试聚芳醚腈分解温度在520℃左右,证明了聚芳醚腈具有优异的热稳定性;力学性能测试结果为拉伸强度为120MPa,说明聚芳醚腈机械性能优异;采用介电测试研究了联苯型聚芳醚腈薄膜的介电-频率与介电-温度的关系并测试了电导率值,聚芳醚腈常温下介电常数约为4,220℃时约为8,测试结果证明聚芳醚腈具有良好的绝缘性且能够在宽频范围（20Hz-200 kHz）和宽温度范围（20-220℃）内使用。常温下聚芳醚腈击穿强度为240kV/mm,在220℃高温下依然有150 kV/mm的强度,证明了聚芳醚腈薄膜在较高温度下仍可以在薄膜电容器中应用。其次,通过前面测试发现聚芳醚腈薄膜的储能密度较低,仅有1 J/cm,还无法满足在储能薄膜电容器中的应用,因此本文通过掺杂的方式来提升聚芳醚腈的介电性能。石墨烯是一种具有非常优异导电性的无机材料,但是其在聚合物中分散性很差,在较大填充含量时会影响聚合物的介电损耗及机械性能,因此本文采用包覆法将磺化聚芳醚腈枝接在氧化石墨烯表面,然后以包覆物填充聚芳醚腈,从而获得相容性良好的复合薄膜。对制备的复合薄膜进行测试,结果证明在保证机械性能和热学性能的前提下,在填充含量达到10 wt%时,介电常数提高到了20,从而聚芳醚腈复合材料的储能密度提高到了3.1 J/cm。最后,为了进一步提升材料的储能密度,本文采用叠层工艺来提高薄膜的击穿强度。由于工艺及环境限制,我们制备的薄膜内部会产生并存在针孔和杂质,这些针孔和杂质严重影响了薄膜的击穿强度。因此本文利用针孔遮蔽效应来提升薄膜的击穿强度,当复合材料薄膜叠层数达到4时,击穿强度高达270 kV/mm这样在介电常数不变的情况下,成功的将聚芳醚腈薄膜的储能密度提高到了6.5 J/cm。通过本研究表明,联苯型聚芳醚腈具有极其优异的综合性能,在储能薄膜电容器方面具有巨大的应用潜力。

关键词：聚芳醚腈氧化石墨烯介电性能储能密度针孔遮蔽效应

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