高儲(chǔ)能密度聚偏氟乙烯基復(fù)合介質(zhì)的制備與性能研究.pdf

1、能量存儲(chǔ)器件在現(xiàn)代電子科技迅速發(fā)展中具有重要的地位，尤其是在脈沖電源裝置、混合動(dòng)力系統(tǒng)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，對(duì)材料儲(chǔ)能特性的要求不斷提高。因此具有高能量存儲(chǔ)的材料特別是聚合物基柔性材料引起了更多科研工作者們的關(guān)注。本文以聚偏氟乙烯(PVDF)作為基體材料，通過高儲(chǔ)能導(dǎo)向無機(jī)納米填充相的引入及復(fù)合介質(zhì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，給出一種提高聚合物基復(fù)合介質(zhì)儲(chǔ)能密度的研究方案。
　　在全有機(jī)介質(zhì)的研究中，借助淬火工藝對(duì)聚偏氟乙烯和聚

2、(偏氟乙烯-三氟乙烯-氯二氟乙烯)(P(VDF-TrFE-CFE))晶型進(jìn)行優(yōu)化處理，制備了以γ相為主的PVDF薄膜/P(VDF-TrFE-CFE)薄膜/PVDF薄膜的三明治全有機(jī)介質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，將中間層調(diào)整為P(VDF-TrFE-CFE)纖維膜的三明治全有機(jī)介質(zhì)，得到性能更加優(yōu)異的PVDF薄膜/P(VDF-TrFE-CFE)纖維膜/PVDF薄膜。結(jié)果表明，淬火后全有機(jī)介質(zhì)的介電及儲(chǔ)能特性得到了改善;P(VDF-TrFE-CFE)纖維

3、為中間層時(shí)不僅阻礙了電樹枝的擴(kuò)展，而且明顯增強(qiáng)了全有機(jī)介質(zhì)的極化強(qiáng)度，因此全有機(jī)介質(zhì)具有較高的介電常數(shù)、擊穿場(chǎng)強(qiáng)和優(yōu)異儲(chǔ)能特性。
　　對(duì)于無機(jī)納米填充相/聚偏氟乙烯復(fù)合介質(zhì)而言，高儲(chǔ)能無機(jī)納米填充相的選擇對(duì)其性能有巨大影響，因此選取恰當(dāng)?shù)臒o機(jī)填充相對(duì)復(fù)合介質(zhì)的性能提升有著重要的意義。本文選取幾種典型陶瓷顆粒及納米纖維作為填充相，制備得到了聚偏氟乙烯基復(fù)合介質(zhì)，系統(tǒng)研究了填充相種類及尺寸因子對(duì)復(fù)合介質(zhì)性能的影響。探究發(fā)現(xiàn)，相比于鈦酸

4、銅鈣陶瓷顆粒，鈦酸銅鈣顆粒表面生長四氧化三鐵復(fù)合顆粒大幅度提高了聚偏氟乙烯基復(fù)合介質(zhì)的介電常數(shù)，但由于四氧化三鐵的引入造成復(fù)合介質(zhì)的損耗增大、擊穿強(qiáng)度下降，從而無法得到更優(yōu)的儲(chǔ)能特性。納米纖維因其具有大長徑比的優(yōu)點(diǎn)，成為高導(dǎo)向高儲(chǔ)能無機(jī)填充相的理想材料。通過靜電紡絲技術(shù)，在制備得到三種典型納米纖維填充相（二氧化鈦、鈦酸銅鈣和鋯鈦酸鋇鈣納米纖維）的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了納米纖維對(duì)聚偏氟乙烯基復(fù)合介質(zhì)介電特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于鈦酸銅鈣/聚偏

5、氟乙烯復(fù)合介質(zhì)來說，當(dāng)外加電場(chǎng)較小時(shí)，其儲(chǔ)能密度提升明顯，但由于鈦酸銅鈣與聚偏氟乙烯基體間的介電差異較大造成復(fù)合介質(zhì)內(nèi)部電場(chǎng)嚴(yán)重畸變，最終致使其擊穿場(chǎng)強(qiáng)降低;而二氧化鈦納米纖維雖然與聚偏氟乙烯基體介電差異較小，但由于填充相較小的介電常數(shù)使得復(fù)合介質(zhì)的儲(chǔ)能特性提高有限。與以上無機(jī)填充相相比，處于準(zhǔn)同相界區(qū)域的鋯鈦酸鋇鈣納米纖維因具有適中的介電常數(shù)及較低的電導(dǎo)率，可以作為高儲(chǔ)能導(dǎo)向無機(jī)填充相的理想材料。研究發(fā)現(xiàn)，在外加電場(chǎng)250kV/mm時(shí)

6、，鋯鈦酸鋇鈣/聚偏氟乙烯復(fù)合介質(zhì)表現(xiàn)出良好的儲(chǔ)能特性。
　　在取得以上成果的同時(shí)，本文系統(tǒng)研究了不同體積分?jǐn)?shù)鋯鈦酸鋇鈣納米纖維對(duì)聚偏氟乙烯基復(fù)合介質(zhì)的性能影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)鋯鈦酸鋇鈣納米纖維的填充量為7vol.％時(shí)，復(fù)合介質(zhì)具有較大的介電常數(shù)(100Hz時(shí)，ε～17.6);而當(dāng)鋯鈦酸鋇鈣納米纖維的填充量為3 vol.％時(shí)，復(fù)合介質(zhì)具有較好的儲(chǔ)能特性（Ue～7.9J/cm3，η≥58.3％）;在此基礎(chǔ)上，出于優(yōu)化電場(chǎng)分布、提高擊穿

7、場(chǎng)強(qiáng)的考慮，設(shè)計(jì)和制備了聚偏氟乙烯/鋯鈦酸鋇鈣-聚偏氟乙烯/聚偏氟乙烯基三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合介質(zhì);研究發(fā)現(xiàn)，中間層納米纖維的引入阻礙了電樹枝在層間的擴(kuò)展，從而降低擊穿概率?；诖耍鶕?jù)導(dǎo)電-陶瓷復(fù)合顆粒增強(qiáng)復(fù)合介質(zhì)極化特性的思路，通過對(duì)一系列工藝優(yōu)化，制備得到外部生長鐵酸鈷粒子的鋯鈦酸鋇鈣(CFO@BZT-BCT)復(fù)合納米纖維;且鐵酸鈷其具有一定的導(dǎo)電性，可以向復(fù)合介質(zhì)內(nèi)注入少量的電子，增加偶極子的數(shù)量，進(jìn)而增大極化強(qiáng)度。因此，文中將三明治結(jié)