金属负载多孔钛酸钡的制备及其在复合材料中的应用研究

发布时间：2017-08-06 22:18

  本文关键词：金属负载多孔钛酸钡的制备及其在复合材料中的应用研究

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【摘要】：本文从制备多孔钛酸钡(BaTiO_3)粉体出发,在其上负载纳米Ni颗粒并经表面改性后,采用溶液浇铸法制备成BaTiO_3/PVDF复合材料,系统研究了添加改性BaTiO_3和纳米Ni对复合材料电性能的影响。利用先进测量手段对多孔BaTiO_3粉体和BaTiO_3/PVDF复合材料进行形貌表征、相态分析以及介电性能测试,获得了提高BaTiO_3/PVDF复合材料储能密度的较优材料组成,并探讨了提高复合材料电性能的机理。采用溶胶-凝胶法,以P123为模板剂,在100 nm实心BaTiO_3表面形成多孑LBaTiO_3层。研究了P123用量和反应溶液pH对多孔BaTiO_3颗粒形貌的影响,当P123浓度为11-14 wt%和pH为3-3.5时,制备出粒径约为120 nm且孔径约为5-30 nm的多孔BaTiO_3颗粒,采用多次浸渍还原法在多孔BaTiO_3表面负载了小于10 nm的Ni颗粒,研究了Ni负载量对Ni@BaTiO_3/PVDF复合材料击穿场强的影响。实验发现,当固定BaTiO_3的含量为3 vo1%时,复合材料的击穿场强随Ni负载量的增加先增大后减小,Ni/BaTiO_3为8 vo1%时,复合材料击穿场强最高达到273kV/mm,其原因在于材料中的Ni颗粒库仑岛的库仑阻塞效应。采用溶液共混法,分别使用NDZ-311-H_2O_2和PVP-k30对Ni@BaTiO_3进行表面改性,测试了NDZ-H_2O_2-Ni@BaTiO_3/PVDF (Ⅰ)和PVP-Ni@BaTiO_3/PVDF (Ⅱ)两种复合材料的介电常数和击穿场强并计算了储能密度。结果表明,随Ni@BaTiO_3含量的增加,两种材料的介电常数均逐渐增大,而击穿场强先增加后减小；当Ni@BaTiO_3含量同为10 vo1%时,介电常数分别达到22.1和21且介电损耗较低,当Ni@BaTiO_3含量同为3 vo1%时,两种材料的击穿场强分别达到最大值为335 kV/mm和321 kV/mm。对于复合材料I,Ni@BaTiO_3含量为4 vo1%的储能密度达到最大值为6.49 J/cm3,表明NDZ-311-H_2O_2的改性效果更好,与PVDF的基团键合作用更强；另外储能密度提高的原因在于复合材料中Ni引发的相界面极化的增大及改性后使得无机相和有机相界面能够更好的相互容纳。在高储能密度组成时复合材料I的基础上,研究引入单一相20 nmNi颗粒的含量对Ni/(NDZ-H_2O_2-Ni@BaTiO_3)/PVDF复合材料电性能的影响,发现随单相Ni含量增加,复合材料的介电常数逐渐增加且介电损耗较小,击穿场强先增大后减小。当添加0.1 vo1%单相Ni时,复合材料的击穿场强最大值为426kV/mm,储能密度达到11.41J/cm3,分别比复合材料I高27.2%和75.8%,其作用机理在于外加电场作用下单相Ni在自身极化的同时吸引周边Ni@BaTiO_3和PVDF中的电荷,起到均化材料中电荷的作用,纳米Ni颗粒的加入还促进了PVDF的α相向高介电β和γ相的转变。
【关键词】：多孔钛酸钡 BaTiO_3/PVDF复合材料 Ni 电性能 储能密度
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ132.35;TB33
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第一章 文献综述14-30
• 1.1 引言14
• 1.2 研究背景及意义14-17
• 1.3 BaTiO_3/PVDF复合材料简介17-22
• 1.3.1 BaTiO_3结构与性能17-18
• 1.3.2 PVDF结构与性能18-20
• 1.3.3 BaTiO_3/PVDF性能20-21
• 1.3.4 BaTiO_3/PVDF复合材料制备21-22
• 1.4 多孔材料制备及负载改性22-28
• 1.4.1 多孔材料制备22-26
• 1.4.2 多孔材料负载导体及改性处理26-28
• 1.5 本论文研究目的和意义28-30
• 第二章 研究内容与实验方案30-38
• 2.1 引言30
• 2.2 研究目标及内容30
• 2.3 实验方案30-35
• 2.3.1 实验中所用材料与主要设备30-31
• 2.3.2 多孔BaTiO_3颗粒制备过程31-32
• 2.3.3 Ni@BaTiO_3颗粒制备过程32-34
• 2.3.4 BaTiO_3/PVDF复合材料制备过程34
• 2.3.5 粉体与材料表征34-35
• 2.4 难点分析及解决方案35-38
• 2.4.1 研究难点35
• 2.4.2 解决方案35-38
• 第三章 多孔BaTiO_3和Ni@BaTiO_3制备研究38-50
• 3.1 引言38
• 3.2 多孔BaTiO_3制备条件优化38-43
• 3.2.1 pH影响38-39
• 3.2.2 P123浓度影响39-43
• 3.3 Ni@BaTiO_3制备条件优化43-45
• 3.3.1 Ni/多孔BaTiO_3体积比影响43
• 3.3.2 Ni@BaTiO_3颗粒的表征43-45
• 3.4 Ni@BaTiO_3的改性45-47
• 3.4.1 N-h改性剂影响45-47
• 3.4.2 PVP改性剂影响47
• 3.5 本章小结47-50
• 第四章 BaTiO_3/PVDF复合材料性能研究50-62
• 4.1 引言50
• 4.2 四种复合材料的电性能影响研究50-55
• 4.2.1 四种复合材料的击穿场强50-51
• 4.2.2 四种复合材料的介电常数51-54
• 4.2.3 最佳复合材料的储能密度54-55
• 4.3 添加单相Ni对复合材料的电性能影响研究55-56
• 4.3.1 击穿场强55
• 4.3.2 介电常数55-56
• 4.3.3 储能密度56
• 4.4 复合材料电性能提高的机理探究56-60
• 4.5 本章小结60-62
• 第五章 结论62-64
• 参考文献64-70
• 致谢70-72
• 研究成果及发表的学术论文72-74
• 作者和导师简介74-75
• 附件75-76

【参考文献】

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本文编号：631707