线性高分子介质材料的制备与研究
发布时间：2020-07-28 07:31
【摘要】：具有高能量密度和低损耗的储能介质电容器在现代电子设备、电力系统和国防武器装备等各方面的应用极为广泛。介质材料作为电容器的关键材料,对高性能介质材料的制备与研究具有深远的意义。与陶瓷电介质电容器相比,聚合物薄膜电容器备受关注,因为它们不仅价格低廉,而且具有高击穿强度和高能量密度。在线性聚合物介电材料中,带有极性基团的聚合物具有更大的偶极矩,往往损耗比较小且击穿强度比较高,而线性高分子材料的充放电效率优于其他聚合物材料,因此带有极性基团线性高分子介质材料具有更高的击穿强度,更高的充放电效率和更低的介电损耗。本论文选取具有极性基团的线性高分子介质材料聚酰亚胺,聚脲和聚硫脲作为主要的研究对象。主要研究的内容和结论如下:(1)运用功能密度泛函(DFT)对聚酰亚胺(PI)、聚脲(PU)和聚硫脲(PTU)三种线性高分子介质材料的介电性能进行计算。由于介电常数和禁带宽度可以确定介质材料的介电性能,傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)可以分析介质材料的分子模型和晶体结构,因此计算的数据为三种介质材料的介电常数、禁带宽度、FTIR和XRD。结果表明,PI的介电常数为4.5、禁带宽度为3.621eV、FTIR在1252 cm~(-1)处有酰亚胺环(-CO-NH-CO-)的特征峰;PU的介电常数为5.2、禁带宽度为3.236 eV、FTIR在1496 cm~(-1)处有脲基团(-HN-CO-NH-)的特征峰;PTU的介电常数为5.7、禁带宽度为2.647、FTIR在1270 cm~(-1)处有硫脲基团(-HN-CS-NH-)的特征峰;三种介质材料的XRD都无明显峰值说明PI、PU和PTU都是无定形态。(2)采用加聚反应的方法合成了聚脲及聚硫脲介电材料,采用流延方法制备介电薄膜,研究了薄膜材料的介电特性。结果表明,合成的聚脲介电常数为3.5、击穿场强为5120 kV/cm、储能密度为4.06 J/cc,聚硫脲的介电常数为5.508、击穿场强为5920 kV/cm、储能密度为8.54 J/cc。两种线性高分子介质材料的储能密度远高于目前商业化的双向拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜的能量密度(≈2.2 J/cc)。进一步研究表明,两种材料介电性能与(DFT)模拟计算结果相接近,表明分子结构设计的正确性,为高性能线性介质聚合物材料设计提供了实验依据。(3)为了进一步提升材料的介电常数,并改善聚硫脲材料的成膜特性,采用磁力搅拌与超声分散两种物理复合的方式制备了偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯P(VDF-TrFE-CFE)/聚硫脲复合介电材料。介电特性研究表明,复合材料介电常数为37.74,击穿场强达到4000 kV/cm,损耗为0.0362。P(VDF-TrFE-CFE)与聚硫脲之间的良好协同效应使得该种复合介质材料的储能密度达到25.79 J/cc,其储能密度是BOPP薄膜储能密度的11.7倍,因此两种介质材料有效的复合为新型聚合物介电材料制备提供了新方向。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2;TQ317;TM53
【图文】：
对于非线性电介质其储能密度为介电常数和击穿场强在电位移下的： = ∫ 0（1-1）对于线性电介质其储能密度与介电常数和电场的平方成正比： =12 2（1-2） 为电介质储能密度， 为相对介电常数在本文简称介电常数， 为真空介数 8.85×10-12F/m，E 为击穿场强， 为最大外加电场对应的电位移。因此须通过设计具有高容性能量密度的新型介电材料来提高其介电性能[1-4]。为了量密度最大化，材料的电介质应具有高介电常数（ ），高击穿强度（E）和充电循环期间的低损耗。目前最先进的介电材料是聚合物电介质材料，薄膜制备成熟且应用最广的是双向拉伸聚丙烯（BOPP）[5-9]，其具有 7300 kV/cm 的击度和低介电损耗（1kHz 时 tan ≈0.0002）。但 BOPP 的工作环境有限，当温度 85℃时介电常数降低（ ≈2.2）击穿强度下降同时循环寿命降低[10,11]。在民用用的迫切需求下，需要尽快的探索出一种高介电性能的材料。
电子科技大学硕士学位论文低许多数量级，这解释了传导电流的强烈抑制。Ishino 等人的实验观察结果也支了这一机制，该理论表明，具有高极性基团的线性高分子聚硫脲比其他不含极性团的聚合物有着更高的击穿强度和更低的高场传导损耗。在本文中，研究了聚硫这种新型介电聚合物，因为这是一种极性聚合物，所以能够在高电场（1×104kV/cm环境中正常工作并维持着低的介电损耗（＜0.01），其能量密度（＞20J/cc）是 BOP能量密度的 10 倍。1.2.4 线性高分子介质材料发展电容器的发展是曲折而又慢长的，如图 1-2 为电容器的发展史[28]。最初本明·富兰克林（Benjamin Franklin）认为莱顿罐中的水对储能不是理想的，在 17 纪 50 年代早期富兰克林发明了金属箔-玻璃电容器。Pollak 发明了电解电容器并1887 年提交了关于电解电容器的专利，这篇专利对电解电容器进行了全面的描述Mansbridge 发明了“自清除”电容器（即电介质击穿之后恢复电容性能），并在 19年提交了相关专利。
第一章 绪论（PS）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚碳酸酯以及双轴取向聚丙烯（BOPP）等材料，目前 BOPP 作为主导高能量密度料。在电子市场（无线电）大众化之后，电容器的研究以寻求具有更高能更低成本的技术为目的，这项工作目前仍在继续，而且最近已经将电容器度列为重要的研究参数。得到高稳定性能及高能密度的聚合物薄膜应用以应用在混合动力汽车（HEV）、电子设备、变速驱动器以及其它形式的系统。
本文编号：2772551
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2;TQ317;TM53
【图文】：
对于非线性电介质其储能密度为介电常数和击穿场强在电位移下的： = ∫ 0（1-1）对于线性电介质其储能密度与介电常数和电场的平方成正比： =12 2（1-2） 为电介质储能密度， 为相对介电常数在本文简称介电常数， 为真空介数 8.85×10-12F/m，E 为击穿场强， 为最大外加电场对应的电位移。因此须通过设计具有高容性能量密度的新型介电材料来提高其介电性能[1-4]。为了量密度最大化，材料的电介质应具有高介电常数（ ），高击穿强度（E）和充电循环期间的低损耗。目前最先进的介电材料是聚合物电介质材料，薄膜制备成熟且应用最广的是双向拉伸聚丙烯（BOPP）[5-9]，其具有 7300 kV/cm 的击度和低介电损耗（1kHz 时 tan ≈0.0002）。但 BOPP 的工作环境有限，当温度 85℃时介电常数降低（ ≈2.2）击穿强度下降同时循环寿命降低[10,11]。在民用用的迫切需求下，需要尽快的探索出一种高介电性能的材料。
电子科技大学硕士学位论文低许多数量级，这解释了传导电流的强烈抑制。Ishino 等人的实验观察结果也支了这一机制，该理论表明，具有高极性基团的线性高分子聚硫脲比其他不含极性团的聚合物有着更高的击穿强度和更低的高场传导损耗。在本文中，研究了聚硫这种新型介电聚合物，因为这是一种极性聚合物，所以能够在高电场（1×104kV/cm环境中正常工作并维持着低的介电损耗（＜0.01），其能量密度（＞20J/cc）是 BOP能量密度的 10 倍。1.2.4 线性高分子介质材料发展电容器的发展是曲折而又慢长的，如图 1-2 为电容器的发展史[28]。最初本明·富兰克林（Benjamin Franklin）认为莱顿罐中的水对储能不是理想的，在 17 纪 50 年代早期富兰克林发明了金属箔-玻璃电容器。Pollak 发明了电解电容器并1887 年提交了关于电解电容器的专利，这篇专利对电解电容器进行了全面的描述Mansbridge 发明了“自清除”电容器（即电介质击穿之后恢复电容性能），并在 19年提交了相关专利。
第一章 绪论（PS）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚碳酸酯以及双轴取向聚丙烯（BOPP）等材料，目前 BOPP 作为主导高能量密度料。在电子市场（无线电）大众化之后，电容器的研究以寻求具有更高能更低成本的技术为目的，这项工作目前仍在继续，而且最近已经将电容器度列为重要的研究参数。得到高稳定性能及高能密度的聚合物薄膜应用以应用在混合动力汽车（HEV）、电子设备、变速驱动器以及其它形式的系统。
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 顾逸韬;刘宏波;马海华;童苑馨;;电介质储能材料研究进展[J];绝缘材料;2015年11期
本文编号：2772551
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlilw/2772551.html
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