【摘要】：电容器是用于储能、滤波、管理和控制电荷的关键电子部件,较好的介质电容材料应具备以下几点性能:击穿电场高、损耗低、重量轻、充放电速度快、成本低廉,但是目前应用的薄膜电容器存在介电常数低、储能密度低等问题,制备高储能密度的介质电容器迫在眉睫。聚偏氟乙烯及其共聚物被证实具有最高的介电常数和能量密度,是一类典型的铁电聚合物材料。近年来,新型的层叠式结构如双层结构、三明治结构等由于其特殊的结构设计能更好的发挥不同材料的优势,因此在电容器领域被寄予厚望。本文选取具有优良物理、化学性能的聚偏氟乙烯(poly(vinylidene fluoride),缩写为PVDF)基聚合物为基底材料,通过掺杂陶瓷颗粒制备了复合薄膜。然后对薄膜的结构进行改进制备了三明治结构介质电容,进一步提高了介电薄膜的储能性能。主要内容如下:(1)本文系统地研究了聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物(poly(vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene),缩写为P(VDF-CTFE))、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(poly(vinylidene fluoride-hexafluoropropylene),缩写为P(VDF-HFP))、聚偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯(poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene chlorotrifluoroethylene),缩写为P(VDF-TrFE-CTFE))介质膜的微观结构和储能特性。研究发现,P(VDF-TrFE-CTFE)在低电场频率下的介电常数最高,介电常数随着电场频率增加下降最为明显,损耗随频率的升高也快速升高。另外,对于P(VDF-CTFE),相比低浓度溶液结晶的聚合物膜,高浓度溶液结晶的聚合物膜具有更高的充放电效率、介电常数和击穿场强,更适合在介质电容器中应用。为了研究晶相结构对介质薄膜性能的影响,实验制备了60°C驱溶、200°C高温退火的两种P(VDF-CTFE)薄膜,实验证明,高温退火-冰水淬火工艺促进了介质薄膜β相到α相的转变。(2)为了结合陶瓷材料高介电常数和聚合物材料高击穿场强的优势,本文以P(VDF-CTFE)聚合物为基体,制备了不同钛酸钡(BaTiO_3)含量的复合薄膜。实验发现,随着钛酸钡含量的升高,复合薄膜的介电常数逐渐升高,当钛酸钡含量为40wt.%时介电常数达到了22.45,比P(VDF-CTFE)聚合物提高了约两倍。同时,陶瓷填料的掺杂给复合薄膜引入了缺陷,陶瓷颗粒与聚合物材料较差的界面相容性使得复合薄膜的击穿场强较低。针对上述问题,本文采用多巴胺对钛酸钡表面进行改性,实验测试分析表明,经过表面改性过的钛酸钡复合薄膜的介电性能得到了很好的提升。(3)为了进一步提高介质电容的储能密度,从立体结构入手设计并研究了层叠式结构对薄膜介电性能的影响。选取具有优异介电性能的P(VDF-CTFE)膜为基体材料,采用具有高介电常数的BaTiO_3纳米颗粒为填充材料,通过热压工艺和流延工艺制备了两种不同结构层叠式三明治介质薄膜,并对比了两种工艺的优劣。研究发现流延法制备的三明治结构较单层膜具有更优异的介电性能,层叠式介质电容的击穿场强较单层复合薄膜提升了30%左右,充放电效率高于83%。
【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】：TM53
【图文】：
介质电容器基本结构示意图
电介质极化示意图
PVDF分子式
【参考文献】
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本文编号：2774149
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