聚酰亚胺基复合材料的介电特性研究
发布时间：2021-08-29 14:30
介质电容器作为储能器件中的一种,功率高、安全可靠且充放电速度较快,主要以电介质材料作为其主要组成部分。在电介质材料中,材料的介电特性又是极为重要的因素。随着器件需要由原先的大型化、复杂化逐渐向简单化、小型化、轻量化等方向发展,材料的介电性能显得尤为关键。铁电陶瓷材料由于其优异的介电性能应用极为广泛。传统的有机聚合物电介质材料由于其耐高压、柔韧性良好以及机械强度高等特性,使其可以广泛适用于各种工作环境。本文采用原位聚合法把具有高介电性能的不同陶瓷材料作为填料分散在柔韧性和加工性能良好的聚酰亚胺这种聚合物基体中,形成同时具备高介电性能、良好柔韧性与加工性能的复合薄膜材料。在此基础上,详细探究了不同含量与种类的陶瓷填料对聚酰亚胺基复合薄膜材料的相结构、显微结构的影响,并进一步分析其介电性能随填充量、频率和温度的变化情况。通过溶胶凝胶法配制静电纺丝溶液,经过静电纺丝法成功制备出铌酸钠NN纳米纤维,将纤维经过多巴胺改性后再通过原位聚合反应制备出铌酸钠NN纤维/PI纳米复合薄膜材料。通过一系列的测试与表征分析材料的结构,并系统地研究了这种复合材料的介电性能。热重分析显示,制备的纳米复合薄膜材料热稳...
【文章来源】：内蒙古科技大学内蒙古自治区
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
聚酰亚胺的分子结构图
内蒙古科技大学硕士学位论文-6-1.3电介质材料根据电导率不同，材料分为超导、导电、半导体和绝缘材料四种，这里主要讨论其中的绝缘材料。绝缘材料指电阻率大于109Ω·m的不导电或导电性极差的物质，主要包括大部分的高分子材料和陶瓷材料，又被称为电介质材料。电介质材料在现代微电子行业的地位举足轻重，例如它们经常作为储存电能的器件，被应用于电容器中。按照应用层面的不同，电介质材料又分为铁电体、热释电体和压电体，它们的关系如图1.3所示[20]。由图中可以看出，铁电材料通常也会呈现出热释电和压电性能。图1.3铁电体与热释电体、压电体和电介质之间的关系1.3.1电介质材料的极化对于理想的电介质材料，其中的带电粒子是不能自由移动的。电介质的表面在外电场作用下形成能抵抗外加电场的内建电场，这些内建电场是由外电场刺激下电介质表面激发出的感应电荷所形成的，极化值P被用来记录与感应电荷数值相同但符号相反的束缚电荷的表面电荷密度。极化现象在微观层面上分析，就是电介质内中性分子的电子云发生偏移或畸变，局部迁移产生感应偶极矩导致正负电荷中心分离，最终转变为偶极子的过程[21,22]。以外电场作用下的介质电容器为例，其极化的基本模型见图1.4。值得一提的是，电介质材料的介电性能随一些因素的变化如频率、温度等的变化都与极化相关，这也是电介质材料的重要特性。极化类型主要分类为四种：电子位移极化、离子位移极化、偶极子取向极化和空间电荷极化。电子位移极化和离子位移极化统称为位移极化，并不消耗能量，是弹性的极化，电场一经撤去对应的极化也就立刻消失殆尽了[23]。偶极子取向极化与热运动
内蒙古科技大学硕士学位论文-7-有关，需要消耗能量且是非弹性的，对于聚合物材料来说，偶极子取向极化贡献较大。空间电荷极化多发生在非均相系统中，又叫做界面极化，宏观上气泡、夹层等的不均匀性及微观上电荷陷落和积聚，诸如在空隙、缺陷、杂质、粒子之间或相界等物理屏障之中的积聚，都会引起空间电荷极化[3,24]。一般情况下，给定的材料通常显示出不只一种的极化机制。在外加电场的作用下，非极性聚合物通常只产生诱导偶极矩，而极性聚合物的偶极矩是所有极化贡献的总和。极化的建立需要时间，并不是瞬间完成的[25]。图1.4外电场作用下介质电容器极化的模型1.3.2性能表征参数针对电介质材料，电子领域不仅在其基本性能方面提出要求，对其介电性能方面更是予以重视，常见的评判电介质材料介电性能的几个参数主要有以下几个。介电常数用来表示极化的程度，即电荷累积促使局部电场发生畸变的能力。介电损耗用来判断与热运动有关的极化发热造成的能量损失[3]。1.3.2.1介电常数具有较高介电常数的材料在储能密度高的电容器上有着重要应用，要介绍介电常数那就离不开电容器中电容量这个概念。从电极化的角度来说，对于平行板电容器，电容量C为两极板上累积电荷的变化量Q与外加电场的电压V的比值，即所谓的电容器充电的过程，这代表了电容器能量存储的能力大小：C=dQ/dV（式1.1）
【参考文献】：
期刊论文
[1]协同性的介电损耗和磁损耗使少层WS2纳米片与NiO纳米粒子的杂化物具有优异的微波吸收性能（英文）[J]. 张德庆,熊英飞,程俊业,柴吉星,刘婷婷,巴学巍,Sana Ullah,郑广平,严明,曹茂盛. Science Bulletin. 2020(02)
[2]全浸式蒸发冷却汽轮发电机槽内气液固三相绝缘系统的设计[J]. 刘直,阮琳. 电机与控制学报. 2018(12)
[3]沙柳活性炭纤维改性及其对铅离子的吸附性能[J]. 李严,王欣,黄金田. 材料导报. 2018(14)
[4]TiO2/含氟树脂复合超疏水涂层的制备[J]. 陈普奇,逄艳,王芳,洪英蕊,罗仲宽. 中国陶瓷工业. 2014(05)
博士论文
[1]聚酰亚胺基介电复合材料的制备及其性能研究[D]. 贺国文.中南大学 2012
硕士论文
[1]聚酰亚胺/无机纳米复合薄膜的制备表征及性能研究[D]. 刘莹.哈尔滨理工大学 2015
[2]PI薄膜的表面改性及化学镀铜的研究[D]. 张鹏伟.广东工业大学 2014
[3]钙钛矿铌酸盐陶瓷介电性能研究[D]. 黄延民.桂林理工大学 2013
[4]聚丙烯/SiO2及聚偏氟乙烯/改性BaTiO3介电复合材料[D]. 肖晴.浙江大学 2013
本文编号：3370827
【文章来源】：内蒙古科技大学内蒙古自治区
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
聚酰亚胺的分子结构图
内蒙古科技大学硕士学位论文-6-1.3电介质材料根据电导率不同，材料分为超导、导电、半导体和绝缘材料四种，这里主要讨论其中的绝缘材料。绝缘材料指电阻率大于109Ω·m的不导电或导电性极差的物质，主要包括大部分的高分子材料和陶瓷材料，又被称为电介质材料。电介质材料在现代微电子行业的地位举足轻重，例如它们经常作为储存电能的器件，被应用于电容器中。按照应用层面的不同，电介质材料又分为铁电体、热释电体和压电体，它们的关系如图1.3所示[20]。由图中可以看出，铁电材料通常也会呈现出热释电和压电性能。图1.3铁电体与热释电体、压电体和电介质之间的关系1.3.1电介质材料的极化对于理想的电介质材料，其中的带电粒子是不能自由移动的。电介质的表面在外电场作用下形成能抵抗外加电场的内建电场，这些内建电场是由外电场刺激下电介质表面激发出的感应电荷所形成的，极化值P被用来记录与感应电荷数值相同但符号相反的束缚电荷的表面电荷密度。极化现象在微观层面上分析，就是电介质内中性分子的电子云发生偏移或畸变，局部迁移产生感应偶极矩导致正负电荷中心分离，最终转变为偶极子的过程[21,22]。以外电场作用下的介质电容器为例，其极化的基本模型见图1.4。值得一提的是，电介质材料的介电性能随一些因素的变化如频率、温度等的变化都与极化相关，这也是电介质材料的重要特性。极化类型主要分类为四种：电子位移极化、离子位移极化、偶极子取向极化和空间电荷极化。电子位移极化和离子位移极化统称为位移极化，并不消耗能量，是弹性的极化，电场一经撤去对应的极化也就立刻消失殆尽了[23]。偶极子取向极化与热运动
内蒙古科技大学硕士学位论文-7-有关，需要消耗能量且是非弹性的，对于聚合物材料来说，偶极子取向极化贡献较大。空间电荷极化多发生在非均相系统中，又叫做界面极化，宏观上气泡、夹层等的不均匀性及微观上电荷陷落和积聚，诸如在空隙、缺陷、杂质、粒子之间或相界等物理屏障之中的积聚，都会引起空间电荷极化[3,24]。一般情况下，给定的材料通常显示出不只一种的极化机制。在外加电场的作用下，非极性聚合物通常只产生诱导偶极矩，而极性聚合物的偶极矩是所有极化贡献的总和。极化的建立需要时间，并不是瞬间完成的[25]。图1.4外电场作用下介质电容器极化的模型1.3.2性能表征参数针对电介质材料，电子领域不仅在其基本性能方面提出要求，对其介电性能方面更是予以重视，常见的评判电介质材料介电性能的几个参数主要有以下几个。介电常数用来表示极化的程度，即电荷累积促使局部电场发生畸变的能力。介电损耗用来判断与热运动有关的极化发热造成的能量损失[3]。1.3.2.1介电常数具有较高介电常数的材料在储能密度高的电容器上有着重要应用，要介绍介电常数那就离不开电容器中电容量这个概念。从电极化的角度来说，对于平行板电容器，电容量C为两极板上累积电荷的变化量Q与外加电场的电压V的比值，即所谓的电容器充电的过程，这代表了电容器能量存储的能力大小：C=dQ/dV（式1.1）
【参考文献】：
期刊论文
[1]协同性的介电损耗和磁损耗使少层WS2纳米片与NiO纳米粒子的杂化物具有优异的微波吸收性能（英文）[J]. 张德庆,熊英飞,程俊业,柴吉星,刘婷婷,巴学巍,Sana Ullah,郑广平,严明,曹茂盛. Science Bulletin. 2020(02)
[2]全浸式蒸发冷却汽轮发电机槽内气液固三相绝缘系统的设计[J]. 刘直,阮琳. 电机与控制学报. 2018(12)
[3]沙柳活性炭纤维改性及其对铅离子的吸附性能[J]. 李严,王欣,黄金田. 材料导报. 2018(14)
[4]TiO2/含氟树脂复合超疏水涂层的制备[J]. 陈普奇,逄艳,王芳,洪英蕊,罗仲宽. 中国陶瓷工业. 2014(05)
博士论文
[1]聚酰亚胺基介电复合材料的制备及其性能研究[D]. 贺国文.中南大学 2012
硕士论文
[1]聚酰亚胺/无机纳米复合薄膜的制备表征及性能研究[D]. 刘莹.哈尔滨理工大学 2015
[2]PI薄膜的表面改性及化学镀铜的研究[D]. 张鹏伟.广东工业大学 2014
[3]钙钛矿铌酸盐陶瓷介电性能研究[D]. 黄延民.桂林理工大学 2013
[4]聚丙烯/SiO2及聚偏氟乙烯/改性BaTiO3介电复合材料[D]. 肖晴.浙江大学 2013
本文编号：3370827
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