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0-3型BST/PVDF复合薄膜的开发与介电储能性能的研究

0-3型BST/PVDF复合薄膜的开发与介电储能性能的研究

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作者：赖金光太原科技大学

学位级别：硕士

由于其轻质、经济实用、弹性好以及高击穿场强等特点,电介质（介电）聚合物材料被认为是具有高功率密度的介电储能电容器的理想选择。然而,由于受到聚合物自身的结构和性质的限制,导致其介电常数普遍较低,因此其储能密度相对较小,这限... 详细信息

由于其轻质、经济实用、弹性好以及高击穿场强等特点,电介质（介电）聚合物材料被认为是具有高功率密度的介电储能电容器的理想选择。然而,由于受到聚合物自身的结构和性质的限制,导致其介电常数普遍较低,因此其储能密度相对较小,这限制了其在高性能电子器件中的应用范围。近年来,0-3型聚合物基复合材料备受关注,被视为解决这一问题的一种重要途径。这种复合材料利用0维颗粒作为功能性填料,加入到3维连通的聚合物基体中,以增强介电性能。相比于介电陶瓷材料,制备这种聚合物基复合薄膜材料的工艺效率高,成本低,结构与性能均一性高,易于工业化生产,因而被广泛研究与应用。这项课题旨在研究具有高介电储能性能的柔性高介电常数纳米颗粒/聚合物复合材料。以聚偏氟乙烯（PVDF）为基体材料,纳米级的钛酸锶钡（BST）颗粒作为填料,重点研究分析了BST/PVDF复合材料薄膜的微观结构和介电储能性能,具体研究内容如下:（1）首先,优化BST/PVDF复合薄膜材料的制备流程。采用旋转涂布法制备电介质复合薄膜材料,经过深入研究退火温度和退火时间以及填充粒子含量对电介质薄膜材料微观结构及介电储能性能的影响因素,我们得出结论:制备电介质薄膜的最优退火工艺是在120°C下退火4小时。（2）其次,为研究不同BST对聚合物的影响,以200 nm粒径的BaxSr1-xTi O3（x=0.8、0.6）作为纳米填料,研究发现,两种BST填料对PVDF基材料的影响基本相同。随着填料体积分数的增加,复合薄膜的介电常数?r增加,饱和极化强度Pmax和剩余极化强度Pr也增加,击穿场强Eb和介电损耗tanδ则呈下降趋势。对于体积分数为7 vol.%的BST82/PVDF纳米复合薄膜,其放电储能密度从纯PVDF在310 MV/m条件下的3.82J/cm3提高到5.74 J/cm3。（3）最后,为进一步研究不同粒径尺寸对聚合物基纳米复合材料的影响,以不同纳米粒径的BST82（600 nm、900 nm）和BST64（600 nm）为填料,制备了x vol.%（x=0、3、5、7、9、11、13、15、17和20）的BST/PVDF复合薄膜材料,系统的研究了纳米BST与聚合物0-3型复合的机理,研究表明,纳米BST与聚合物0-3型复合的机理中,不同粒径尺寸的填料对介电和储能性能的影响类似。随着BST82和BST64粒径尺寸增大,复合材料的介电常数和储能密度逐渐降低。200 nm粒径的BaxSr1-xTi O3（x=0.8、0.6）复合薄膜在综合介电储能性能方面表现最佳。这项研究的结果有助于指导与选择高介电常数纳米颗粒的尺寸,从而研发具有优异介电储能性能的聚合物基复合材料薄膜。

关键词：介电储能柔性聚合物旋转涂布法 0-3型纳米复合薄膜储能密度

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