含氟聚合物/钛酸钡介电复合材料的制备及性能研究
发布时间：2022-01-13 16:10
具有高击穿强度和高介电常数的介电复合材料由于在储能方面的广泛应用受到了极大的关注。本文以钛酸钡（BT）作为陶瓷填料,聚偏氟乙烯（PVDF）或者其共聚物作为聚合物基体,通过改变填料的壳层类型或改变复合材料的组成,系统地研究了填料的壳层结构、填料的形貌、填料和聚合物基体界面间的连接方式以及聚合物基体的交联对复合材料介电性能及击穿性能的影响。（1）研究了壳层聚合物的类型对复合材料介电性能和击穿强度的影响。将巯基封端的聚偏氟乙烯（PVDF-SH）和聚苯乙烯（PS-SH）分别作为壳层材料通过“grafting to”的方法接枝到BT表面制备杂化颗粒,并作为填料制备复合材料。结果表明,经过聚合物改性的BT与聚合物基体的相容性比未经改性的BT更好,而且PVDF壳层要比PS壳层的效果更好。当填料的掺杂量为30 vol%时,BT@PVDF/PVDF和BT@PS/PVDF复合材料的击穿强度相比于BT/PVDF复合材料分别提高了101%和88.2%,介电损耗也得到了有效的抑制。（2）将绝缘的二氧化硅（SiO2）材料作为壳层结构,以更加简单的方法制备了具有核-壳结构的纳米杂化颗粒（BT@...
【文章来源】：济南大学山东省
【文章页数】：142 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
电容器的应用介电电容器在结构上包括两个电极和电极中间的介电层
济南大学博士学位论文3容器的体积比来表示：==∫0=∫0(1.3)其中：D是介电层的电位移，max是积累电荷引起的最大电场，数值上等于施加的外部电常对于具有高介电常数的电介质，D（D=0E）非常接近介电层的极化P。公式1.3也可以写成：=∫0=∫00(1.4)因此，通过计算P-E曲线的积分面积，可以得到电容器的能量密度[13]。如图1.2所示，图中阴影区域面积等于可恢复的能量密度，即为放电过程中能够释放的能量密度，斜线区域等于耗散的能量密度，即为电介质的介电损耗。对于介电常数与电场无关的线性电介质，公式1.4可表示为：=1202(1.5)可以清楚地看出，制备具有高击穿强度的电介质在实现高储能密度方面更有希望。值得注意的是公式1.5只是一个近似方程式，因为电介质的介电常数在高电场下通常表现出非线性行为，即使对于线性电介质也是如此。另外，出于可靠性的原因，所施加的外电场通常低于电介质的击穿强度。图1.2不同类型电介质的电滞回线示意图：线性电介质（a）；铁电体（b）；弛豫铁电体（c）；反铁电体（d）1.2.2电介质及极化在外加电场的作用下能够发生极化的材料被称为电介质，根据电介质材料的极化强
含氟聚合物/钛酸钡介电复合材料的制备及性能研究6图1.3电偶极矩的定义（a）；电子极化的起因（b）和（c）；没有施加外电场的情况下共价键中的价电子以及施加电场时共价键中的价电子相对于正电荷原子核的移动（d）离子极化发生在离子晶体中，是离子性电介质介电常数的主要贡献因素。当没有施加电场时，由于偶极矩整齐排列，所以材料没有净极化，如图1.4a。但是，当在沿x方向施加电场E的情况下，负离子被推向-x方向，正离子被推向+x方向，如图1.4b所示。因此，在+x方向上的偶极矩p+增加到p"+，而偶极矩p-则减小到p"-，此时，每个离子对的净偶极矩（平均偶极矩）变为p"+-p"-，其大小取决于外加电场的强度。图1.4没有施加电场的离子晶体中的离子链，每个离子的平均或净偶极矩为零（a）；在外电场的作用下离子会发生轻微偏移，出现净偶极矩（b）偶极极化是极性电介质材料的典型特征，由于极性分子的自然取向，偶极极化是固有的，或者是由于分子中原子核的不对称引起的。当不存在电场时，分子由于热运动而随机取向，一旦施加了外电场，极性分子就会倾向于平行电场的方向排列，如图1.5所示。对于极性聚合物而言，分子链内的极性基团有助于实现更高的偶极极化强度，产生更大的介电常数。而非极性聚合物结构的对称性会使偶极矩降低，进而导致较低的介电常数。因此通过在聚合物链中添加极性侧基是增强偶极极化的有效方法之一。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Polymer nanocomposite dielectrics for electrical energy storage[J]. Yang Shen,Xin Zhang,Ming Li,Yuanhua Lin,Ce-Wen Nan. National Science Review. 2017(01)
[2]静电纺丝工艺参数对纤维直径影响的研究:实验及数值模拟[J]. 肖婉红,曾泳春. 东华大学学报(自然科学版). 2009(06)
[3]Progress in electrical energy storage system:A critical review[J]. Thang Ngoc Cong. Progress in Natural Science. 2009(03)
本文编号：3586748
【文章来源】：济南大学山东省
【文章页数】：142 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
电容器的应用介电电容器在结构上包括两个电极和电极中间的介电层
济南大学博士学位论文3容器的体积比来表示：==∫0=∫0(1.3)其中：D是介电层的电位移，max是积累电荷引起的最大电场，数值上等于施加的外部电常对于具有高介电常数的电介质，D（D=0E）非常接近介电层的极化P。公式1.3也可以写成：=∫0=∫00(1.4)因此，通过计算P-E曲线的积分面积，可以得到电容器的能量密度[13]。如图1.2所示，图中阴影区域面积等于可恢复的能量密度，即为放电过程中能够释放的能量密度，斜线区域等于耗散的能量密度，即为电介质的介电损耗。对于介电常数与电场无关的线性电介质，公式1.4可表示为：=1202(1.5)可以清楚地看出，制备具有高击穿强度的电介质在实现高储能密度方面更有希望。值得注意的是公式1.5只是一个近似方程式，因为电介质的介电常数在高电场下通常表现出非线性行为，即使对于线性电介质也是如此。另外，出于可靠性的原因，所施加的外电场通常低于电介质的击穿强度。图1.2不同类型电介质的电滞回线示意图：线性电介质（a）；铁电体（b）；弛豫铁电体（c）；反铁电体（d）1.2.2电介质及极化在外加电场的作用下能够发生极化的材料被称为电介质，根据电介质材料的极化强
含氟聚合物/钛酸钡介电复合材料的制备及性能研究6图1.3电偶极矩的定义（a）；电子极化的起因（b）和（c）；没有施加外电场的情况下共价键中的价电子以及施加电场时共价键中的价电子相对于正电荷原子核的移动（d）离子极化发生在离子晶体中，是离子性电介质介电常数的主要贡献因素。当没有施加电场时，由于偶极矩整齐排列，所以材料没有净极化，如图1.4a。但是，当在沿x方向施加电场E的情况下，负离子被推向-x方向，正离子被推向+x方向，如图1.4b所示。因此，在+x方向上的偶极矩p+增加到p"+，而偶极矩p-则减小到p"-，此时，每个离子对的净偶极矩（平均偶极矩）变为p"+-p"-，其大小取决于外加电场的强度。图1.4没有施加电场的离子晶体中的离子链，每个离子的平均或净偶极矩为零（a）；在外电场的作用下离子会发生轻微偏移，出现净偶极矩（b）偶极极化是极性电介质材料的典型特征，由于极性分子的自然取向，偶极极化是固有的，或者是由于分子中原子核的不对称引起的。当不存在电场时，分子由于热运动而随机取向，一旦施加了外电场，极性分子就会倾向于平行电场的方向排列，如图1.5所示。对于极性聚合物而言，分子链内的极性基团有助于实现更高的偶极极化强度，产生更大的介电常数。而非极性聚合物结构的对称性会使偶极矩降低，进而导致较低的介电常数。因此通过在聚合物链中添加极性侧基是增强偶极极化的有效方法之一。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Polymer nanocomposite dielectrics for electrical energy storage[J]. Yang Shen,Xin Zhang,Ming Li,Yuanhua Lin,Ce-Wen Nan. National Science Review. 2017(01)
[2]静电纺丝工艺参数对纤维直径影响的研究:实验及数值模拟[J]. 肖婉红,曾泳春. 东华大学学报(自然科学版). 2009(06)
[3]Progress in electrical energy storage system:A critical review[J]. Thang Ngoc Cong. Progress in Natural Science. 2009(03)
本文编号：3586748
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