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南工大材料學(xué)院 CERI:鈦酸鋇和多壁碳納米管修飾聚偏氟乙烯(PVDF)- 兩種提升介電常數(shù)的不同機制
2023-12-30  來源:高分子科技

  隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展和不可再生性能源的迅速減少,儲能設(shè)備的開發(fā)成為一個重要的研究領(lǐng)域。儲能介質(zhì)電容器具有使用壽命長、充放電速度快和功率密度高等特點,是未來儲能設(shè)備的可行選擇之一。為滿足未來電容器小型化、輕量化的需求,亟需提高電容器的儲能密度,其關(guān)鍵就在于開發(fā)高儲能密度的電介質(zhì)材料。由于材料的儲能密度與介電常數(shù)和擊穿場強成正比,提高材料的介電常數(shù)等性能可以有效改善其儲能密度。相對于陶瓷電介質(zhì),聚合物電介質(zhì)具有輕質(zhì)、易加工和高擊穿場強等特點,但介電常數(shù)低。目前,通過特殊方法在聚合物中添加高介電陶瓷或?qū)щ娞盍蠟樘岣呔酆衔镫娊橘|(zhì)介電常數(shù)的兩種有效途徑。



  近日,以南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生湯駿航為第一作者、毛澤鵬副教授為通訊作者在國際期刊Ceramics International發(fā)表題為“Comparation of barium titanate and multi-walled carbon nanotubes modified PVDF composites: A perspective of dielectric, crystalline, rheological and mechanical properties”的研究工作。該工作選用高介電陶瓷鈦酸鋇(BaTiO3BT)和導(dǎo)電填料多壁碳納米管(MWCNT)修飾鐵電聚合物聚偏氟乙烯(PVDF),通過簡單熔融共混的工藝制備了PVDF/BTPVDF/MWCNT兩種復(fù)合材料,對比了它們的介電、結(jié)晶、流變和機械性能 


1 PVDF/BTPVDF/MWCNT在電場下的示意圖及介電性能對比。


  在電場中,BT的自發(fā)極化及其分散在PVDF中產(chǎn)生的大量界面極化可以有效提高PVDF/BT的介電常數(shù)。MWCNT可以在PVDF中形成微電容結(jié)構(gòu),兩根相鄰且互不接觸的MWCNT充當(dāng)電極,它們之間的PVDF為電介質(zhì)。當(dāng)MWCNTPVDF中形成大量有效微電容時,PVDF/MWCNT的介電常數(shù)將得到顯著提升有趣的是,當(dāng)BTMWCNT的含量分別為50 vol%0.5 vol%時,PVDF/BTPVDF/MWCNT介電常數(shù)同為70左右 (102 Hz)MWCNT的含量僅為BT的百分之一0.5 vol% MWCNTPVDF中建立的微電容網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定,容易受到電場頻率的干擾而破壞,介電常數(shù)對電場頻率敏感性大。0.5 vol% MWCNT介電常數(shù)增大的同時,由于電導(dǎo)造成的損耗也明顯增大。


  在本研究中,使用BaTiO3MWCNT分別修飾鐵電聚合物PVDF,探究了兩種提升復(fù)合材料介電常數(shù)的原理。導(dǎo)電MWCNTPVDF中形成微電容結(jié)構(gòu),在極低的含量下就可實現(xiàn)高介電常數(shù),而達到相同的介電常數(shù)需要大量BT。由于MWCNT的添加量極少,PVDF/MWCNT的流變性能并未受到明顯影響,大長徑比的MWCNT使PVDF/MWCNT的機械性能略有增強。需要指出的是,大量的BT及其與PVDF差的相容性導(dǎo)致PVDF/BT的流變和機械性能稍有下降。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.10.199

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