聚偏氟乙烯基复合介质制备及电性能研究

发布时间：2020-07-05 09:08

【摘要】：高性能的储能材料在先进的电子和脉冲电力系统中是至关重要的,与无机陶瓷介电材料相比,聚合物电介质具有更高的介电强度和更强的灵活性,是一种很有前途的储能材料。然而,由于聚合物本身具有低的介电常数和铁电性能,储能能力受到了限制。因此,本文通过对无机填充相的微观结构调控及聚偏氟乙烯基复合材料的多层结构设计,提出了一种制备高储能密度材料的新思路。首先,由于0.5Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3(BZT-BCT)作为一种钙钛矿结构的陶瓷,具有优秀的铁电体电滞特性,本文利用溶胶凝胶法和静电纺丝法分别制备了0.5Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3纳米颗粒(BZT-BCT NPs)和0.5Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3纳米纤维(BZT-BCT NFs),并利用溶液涂膜法制备了BZT-BCT NPs/PVDF和BZT-BCT NFs/PVDF两种复合介质,并对其进行了介电性能和储能特性研究。研究发现,一维的BZT-BCT NFs在各方面均表现出优异的性能。10 vol.%BZT-BCT NFs/PVDF的介电常数达到最高的17.33,5 vol.%BZT-BCT NFs/PVDF击穿场强达到了310 kV/mm,储能密度达到近7.8J/cm3,充放电效率保持在50%左右。在此研究基础之上,本文又对不同结构的三明治结构复合介质进行了研究。由于六方氮化硼(BN)具有良好绝缘性能、优异导热性能、低损耗等特性,本文将其作为中间层填充相,制备Fe3O4@BNNSs-PVDF(Fe3O4@BN-P)中间层复合介质;此外,本文将具有高介电常数的BZT-BCT NFs作为外层填充相,制备了BZT-BCT NFs-PVDF(B-P)外层复合介质,最终热压成B-P/Fe3O4@BN-P/B-P复合三明治结构,同时设计B-P/BN-P/B-P和P/Fe3O4@BN-P/P两个复合三明治结构作为对比。研究结果表明,B-P/Fe3O4@BN-P/B-P三明治结构复合介质的性能明显增强。在100 Hz下,B-P/5vol.%Fe3O4@BN-P/B-P的介电常数达到17;在350 kV/mm的外加电场下,B-P/5vol.%Fe3O4@BN-P/B-P的储能密度达到最大值8.9 J/cm3。
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34
【图文】：

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图 2-1 BZT-BCT 纳米颗粒的制备流程图Fig. 2-1 Preparation flow chart of BZT-BCT nanoparticlesT-BCT NFs 的制备纺丝法制备 BZT-BCT NFs 的步骤：配置前驱体溶液：步，利用移液枪精确称量 3.7974ml 酒精， 9.0476 ml CH3Cl C5H8O2，将其倒入适合容量的烧杯中，并持续搅拌。步，依次精确称量 2.172 g Ba(OH) 8H2O，0.09 g Ca(OH) ，O8，2.475 g C16H36O4Ti，每样药品依次间隔 20min 倒入持续搅拌液澄清无明显沉淀。步，最后称量 0.7 g 聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，分批次依次少量加液中，密封搅拌 12 h，得到前驱体溶液。静电纺丝：将适量的 BZT-BCT 纺丝前驱体溶液装入带有金属针针头,加载+V=15 kV，-V=15 kV 的正负电压。根据当时的环境节适当的接收距离和推进速度，进行纺丝实验。高温烧结：将上述纳米纤维前驱体从铝箔上逐层揭下平铺到坩

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哈尔滨理工大学工学硕士学位论文(2) 涂膜：将排泡处理后的溶液倒在擦洗干净的玻璃板上，根据实验所需厚度设置刮膜刀的参数，并进行涂膜。(3) 固化淬火：将涂好的湿膜先于 45 ℃的烘箱中 5 h，随之调节烘箱温度为200 ℃，保温 9 min。待加热结束后，立即取出复合介质放入冰水混合物中，随后在 70 ℃下烘 12 h，得到淬火复合介质。根据实验要求设置无机填料的体积分数，分别制备相对应的单层复合介质。利用同样的方法制备 BZT-BCT NFs/PVDF、Fe3O4@BNNSs-PVDF 、BNNSs-PVDF、纯 PVDF 单层介质。

【参考文献】