發(fā)布時間：2020-11-04 08:55

　　 能量存儲器件在現(xiàn)代電子科技迅速發(fā)展中具有重要的地位,尤其是在脈沖電源裝置、混合動力系統(tǒng)等領域應用廣泛。隨著科學技術的日新月異,對材料儲能特性的要求不斷提高。因此具有高能量存儲的材料特別是聚合物基柔性材料引起了更多科研工作者們的關注。本文以聚偏氟乙烯(PVDF)作為基體材料,通過高儲能導向無機納米填充相的引入及復合介質的結構設計,給出一種提高聚合物基復合介質儲能密度的研究方案。在全有機介質的研究中,借助淬火工藝對聚偏氟乙烯和聚(偏氟乙烯-三氟乙烯-氯二氟乙烯)(P(VDF-Tr FE-CFE))晶型進行優(yōu)化處理,制備了以γ相為主的PVDF薄膜/P(VDF-Tr FE-CFE)薄膜/PVDF薄膜的三明治全有機介質。在此基礎上,將中間層調整為P(VDF-Tr FE-CFE)纖維膜的三明治全有機介質,得到性能更加優(yōu)異的PVDF薄膜/P(VDF-Tr FE-CFE)纖維膜/PVDF薄膜。結果表明,淬火后全有機介質的介電及儲能特性得到了改善;P(VDF-Tr FECFE)纖維為中間層時不僅阻礙了電樹枝的擴展,而且明顯增強了全有機介質的極化強度,因此全有機介質具有較高的介電常數(shù)、擊穿場強和優(yōu)異儲能特性。對于無機納米填充相/聚偏氟乙烯復合介質而言,高儲能無機納米填充相的選擇對其性能有巨大影響,因此選取恰當?shù)臒o機填充相對復合介質的性能提升有著重要的意義。本文選取幾種典型陶瓷顆粒及納米纖維作為填充相,制備得到了聚偏氟乙烯基復合介質,系統(tǒng)研究了填充相種類及尺寸因子對復合介質性能的影響。探究發(fā)現(xiàn),相比于鈦酸銅鈣陶瓷顆粒,鈦酸銅鈣顆粒表面生長四氧化三鐵復合顆粒大幅度提高了聚偏氟乙烯基復合介質的介電常數(shù),但由于四氧化三鐵的引入造成復合介質的損耗增大、擊穿強度下降,從而無法得到更優(yōu)的儲能特性。納米纖維因其具有大長徑比的優(yōu)點,成為高導向高儲能無機填充相的理想材料。通過靜電紡絲技術,在制備得到三種典型納米纖維填充相(二氧化鈦、鈦酸銅鈣和鋯鈦酸鋇鈣納米纖維)的基礎上,系統(tǒng)研究了納米纖維對聚偏氟乙烯基復合介質介電特性的影響。研究發(fā)現(xiàn),對于鈦酸銅鈣/聚偏氟乙烯復合介質來說,當外加電場較小時,其儲能密度提升明顯,但由于鈦酸銅鈣與聚偏氟乙烯基體間的介電差異較大造成復合介質內部電場嚴重畸變,最終致使其擊穿場強降低;而二氧化鈦納米纖維雖然與聚偏氟乙烯基體介電差異較小,但由于填充相較小的介電常數(shù)使得復合介質的儲能特性提高有限。與以上無機填充相相比,處于準同相界區(qū)域的鋯鈦酸鋇鈣納米纖維因具有適中的介電常數(shù)及較低的電導率,可以作為高儲能導向無機填充相的理想材料。研究發(fā)現(xiàn),在外加電場250 k V/mm時,鋯鈦酸鋇鈣/聚偏氟乙烯復合介質表現(xiàn)出良好的儲能特性。在取得以上成果的同時,本文系統(tǒng)研究了不同體積分數(shù)鋯鈦酸鋇鈣納米纖維對聚偏氟乙烯基復合介質的性能影響,實驗結果表明當鋯鈦酸鋇鈣納米纖維的填充量為7 vol.%時,復合介質具有較大的介電常數(shù)(100 Hz時,ε~17.6);而當鋯鈦酸鋇鈣納米纖維的填充量為3 vol.%時,復合介質具有較好的儲能特性(Ue~7.9 J/cm3,η≥58.3%);在此基礎上,出于優(yōu)化電場分布、提高擊穿場強的考慮,設計和制備了聚偏氟乙烯/鋯鈦酸鋇鈣-聚偏氟乙烯/聚偏氟乙烯基三明治結構復合介質;研究發(fā)現(xiàn),中間層納米纖維的引入阻礙了電樹枝在層間的擴展,從而降低擊穿概率�；诖�,根據(jù)導電-陶瓷復合顆粒增強復合介質極化特性的思路,通過對一系列工藝優(yōu)化,制備得到外部生長鐵酸鈷粒子的鋯鈦酸鋇鈣(CFO@BZT-BCT)復合納米纖維;且鐵酸鈷其具有一定的導電性,可以向復合介質內注入少量的電子,增加偶極子的數(shù)量,進而增大極化強度。因此,文中將三明治結構的中間層無機填充相調整為CFO@BZT-BCT復合纖維,研究發(fā)現(xiàn),當CFO@BZT-BCT納米纖維填充量為5 vol.%時,三明治結構會使復合介質內部的電場重新分布,復合介質此時表現(xiàn)出優(yōu)異的介電特性(100 Hz時,ε~20.1,tanδ≤0.023;350 k V/mm時,Ue~11.3 J/cm3,η≥55.5%)。
【學位單位】：哈爾濱理工大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：TB34
【部分圖文】：

圖 1-1 外場下填充相形成內部缺陷束縛電荷和形成導電通道示意圖[69].1-1 Schematic diagram of the formation of the internal defect bound charge and tconductive channel induced by fillers under an applied electric field[69]電樹枝形成的原因眾多，但起作用的主要有兩個，第一在聚合物基介場下時，電介質內部會產(chǎn)生大量的熱，這些熱量會導致電介質內部形

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【參考文獻】

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本文編號：2869905