PVDF基有机复合薄膜的介电储能性能及其松弛行为研究

发布时间：2018-04-17 21:14

本文选题：聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物 + 聚碳酸酯　；参考：《燕山大学》2016年博士论文

【摘要】：随着电子和电源系统的发展,电介质储能材料受到越来越多的关注。期望其具有高储能密度,高充放电效率,高击穿强度和高工作温度等性能。与传统的陶瓷材料相比,聚合物电介质材料成本低,具有高击穿强度,低介电损耗,良好的失效性等。开发介电聚合物的一个主要挑战是在高电场作用下实现高储能密度并维持低介电损耗。传统的介电聚合物(BOPP)具有较低的介电常数(约2~3)和储能密度(3 J/cm~3)。因此,本文采用具有较高介电常数的聚合物P(VDF-HFP)作为基体,与不同的聚合物进行共混,通过不同的加工方法和微观结构调控,制备具有高储能密度且低能量损耗的聚合物复合薄膜。具体研究内容如下:通过溶液共混的方法制备了P(VDF-HFP)/PC复合薄膜。结果表明,PC形成球形相均匀地分散在P(VDF-HFP)中。随着PC含量的增加,P(VDF-HFP)发生相转变并形成少量的g-2b晶体,其结晶度和结晶温度降低。复合薄膜的介电常数、介电损耗和居里温度都有所降低,而使得其介电性能具有良好的温度稳定性和频率稳定性。同时,复合薄膜的击穿强度增加。另外,对复合薄膜的电滞回线测试发现剩余极化明显降低,滞后环面积减小,电滞回线趋向于线性电介质。在7%PC时,复合薄膜在325 MV/m下放电能量密度达到5.88 J/cm3,放电效率为60.68%。采用溶液共混的方法制备了相容性良好的P(VDF-HFP)/PMMA复合薄膜。结果表明复合材料发生相转变,并形成了高含量的新型g-2b晶体。随着PMMA含量的增加,复合薄膜的结晶度下降,但熔融温度增加。复合薄膜的介电常数和损耗也都有所降低,但介电性能的温度稳定性和频率稳定性提高。同时,复合薄膜的击穿强度显著提高,在10%PMMA时,击穿强度高达542.62 MV/m。对复合薄膜的储能性能研究发现剩余极化和矫顽电场显著降低,电滞回线趋向于线性电介质。当PMMA含量为10%及以上时,复合薄膜的放电效率在300 MV/m下仍然高达80%,远高于P(VDF-HFP)在267 MV/m下的45%。利用双向同步拉伸机制备相容性良好的P(VDF-HFP)/PMMA复合薄膜。结果表明,在双向拉伸和PMMA的作用下复合薄膜形成了一定量的g-2b晶体,晶粒细化且结晶度降低。双向拉伸复合薄膜的介电常数和损耗都降低,其具有良好的温度稳定性和频率稳定性。同时,击穿强度显著增加,在10%PMMA时,击穿强度高达561.04MV/m。另外,双向拉伸复合薄膜的剩余极化和矫顽电场都明显降低,电滞回线趋向于线性电介质。当PMMA含量为10%时,双向拉伸复合薄膜在575 MV/m下放电能量密度达到17.7 J/cm~3,其放电效率依然保持在65%以上。介电松弛谱研究结果表明:溶液法的P(VDF-HFP)/PC复合薄膜复介电常数虚部在高温时随频率增加呈线性减小,其直流电导率随温度的增加向高频延伸。随着PC的加入,复合薄膜的介电松弛时间变宽,松弛强度和激活能都增加,这表明复合薄膜松弛行为的多重性。溶液法的P(VDF-HFP)/PMMA复合薄膜发现三种松弛过程:aa、ac和电导率松弛。随着PMMA的加入,aa和ac的松弛时间都变宽,直流电导率明显下降;aa的激活能降低,而ac的激活能增加,这意味着PMMA在低温起稀释作用,在高温时可以限制晶体附近的链段运动。双向同步拉伸的P(VDF-HFP)/PMMA复合薄膜同样出现了aa、ac和电导率松弛三种松弛行为。在双向拉伸和PMMA的共同影响下,aa和ac的松弛时间宽化且介电松弛强度和激活能都明显降低,直流电导率也显著下降,这表明双向拉伸和PMMA对限制薄膜的损耗松弛行为有协同效应。
[Abstract]:With the development of electronic and power systems , dielectric energy storage materials are attracting more and more attention . It is expected that it has high energy storage density , high charge / discharge efficiency , high breakdown strength and high working temperature , etc . Compared with traditional ceramic materials , the polymer dielectric material has low cost , high breakdown strength , low dielectric loss and good failure . A major challenge to develop dielectric polymer is to realize high energy storage density and maintain low dielectric loss under the action of high electric field . The results show that the dielectric constant , dielectric loss and Curie temperature of the composite film are reduced . The dielectric constant , dielectric loss and Curie temperature of the composite film are reduced . The dielectric constant , dielectric loss and Curie temperature of the composite film are reduced . The relaxation time of aa and ac decreases with the addition of PMMA . The relaxation time of aa and ac decreases and the activation energy of ac decreases . The relaxation time of aa and ac decreases obviously under the influence of biaxial stretching and PMMA .

【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2

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