【摘要】：具有高能量密度和低損耗的儲能介質(zhì)電容器在現(xiàn)代電子設(shè)備、電力系統(tǒng)和國防武器裝備等各方面的應(yīng)用極為廣泛。介質(zhì)材料作為電容器的關(guān)鍵材料,對高性能介質(zhì)材料的制備與研究具有深遠(yuǎn)的意義。與陶瓷電介質(zhì)電容器相比,聚合物薄膜電容器備受關(guān)注,因?yàn)樗鼈儾粌H價格低廉,而且具有高擊穿強(qiáng)度和高能量密度。在線性聚合物介電材料中,帶有極性基團(tuán)的聚合物具有更大的偶極矩,往往損耗比較小且擊穿強(qiáng)度比較高,而線性高分子材料的充放電效率優(yōu)于其他聚合物材料,因此帶有極性基團(tuán)線性高分子介質(zhì)材料具有更高的擊穿強(qiáng)度,更高的充放電效率和更低的介電損耗。本論文選取具有極性基團(tuán)的線性高分子介質(zhì)材料聚酰亞胺,聚脲和聚硫脲作為主要的研究對象。主要研究的內(nèi)容和結(jié)論如下:(1)運(yùn)用功能密度泛函(DFT)對聚酰亞胺(PI)、聚脲(PU)和聚硫脲(PTU)三種線性高分子介質(zhì)材料的介電性能進(jìn)行計算。由于介電常數(shù)和禁帶寬度可以確定介質(zhì)材料的介電性能,傅里葉變換紅外光譜(FTIR)和X射線衍射(XRD)可以分析介質(zhì)材料的分子模型和晶體結(jié)構(gòu),因此計算的數(shù)據(jù)為三種介質(zhì)材料的介電常數(shù)、禁帶寬度、FTIR和XRD。結(jié)果表明,PI的介電常數(shù)為4.5、禁帶寬度為3.621eV、FTIR在1252 cm~(-1)處有酰亞胺環(huán)(-CO-NH-CO-)的特征峰;PU的介電常數(shù)為5.2、禁帶寬度為3.236 eV、FTIR在1496 cm~(-1)處有脲基團(tuán)(-HN-CO-NH-)的特征峰;PTU的介電常數(shù)為5.7、禁帶寬度為2.647、FTIR在1270 cm~(-1)處有硫脲基團(tuán)(-HN-CS-NH-)的特征峰;三種介質(zhì)材料的XRD都無明顯峰值說明PI、PU和PTU都是無定形態(tài)。(2)采用加聚反應(yīng)的方法合成了聚脲及聚硫脲介電材料,采用流延方法制備介電薄膜,研究了薄膜材料的介電特性。結(jié)果表明,合成的聚脲介電常數(shù)為3.5、擊穿場強(qiáng)為5120 kV/cm、儲能密度為4.06 J/cc,聚硫脲的介電常數(shù)為5.508、擊穿場強(qiáng)為5920 kV/cm、儲能密度為8.54 J/cc。兩種線性高分子介質(zhì)材料的儲能密度遠(yuǎn)高于目前商業(yè)化的雙向拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜的能量密度(≈2.2 J/cc)。進(jìn)一步研究表明,兩種材料介電性能與(DFT)模擬計算結(jié)果相接近,表明分子結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確性,為高性能線性介質(zhì)聚合物材料設(shè)計提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。(3)為了進(jìn)一步提升材料的介電常數(shù),并改善聚硫脲材料的成膜特性,采用磁力攪拌與超聲分散兩種物理復(fù)合的方式制備了偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯P(VDF-TrFE-CFE)/聚硫脲復(fù)合介電材料。介電特性研究表明,復(fù)合材料介電常數(shù)為37.74,擊穿場強(qiáng)達(dá)到4000 kV/cm,損耗為0.0362。P(VDF-TrFE-CFE)與聚硫脲之間的良好協(xié)同效應(yīng)使得該種復(fù)合介質(zhì)材料的儲能密度達(dá)到25.79 J/cc,其儲能密度是BOPP薄膜儲能密度的11.7倍,因此兩種介質(zhì)材料有效的復(fù)合為新型聚合物介電材料制備提供了新方向。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.2;TQ317;TM53
【圖文】：

對于非線性電介質(zhì)其儲能密度為介電常數(shù)和擊穿場強(qiáng)在電位移下的： = ∫ 0（1-1）對于線性電介質(zhì)其儲能密度與介電常數(shù)和電場的平方成正比： =12 2（1-2） 為電介質(zhì)儲能密度， 為相對介電常數(shù)在本文簡稱介電常數(shù)， 為真空介數(shù) 8.85×10-12F/m，E 為擊穿場強(qiáng)， 為最大外加電場對應(yīng)的電位移。因此須通過設(shè)計具有高容性能量密度的新型介電材料來提高其介電性能[1-4]。為了量密度最大化，材料的電介質(zhì)應(yīng)具有高介電常數(shù)（ ），高擊穿強(qiáng)度（E）和充電循環(huán)期間的低損耗。目前最先進(jìn)的介電材料是聚合物電介質(zhì)材料，薄膜制備成熟且應(yīng)用最廣的是雙向拉伸聚丙烯（BOPP）[5-9]，其具有 7300 kV/cm 的擊度和低介電損耗（1kHz 時 tan ≈0.0002）。但 BOPP 的工作環(huán)境有限，當(dāng)溫度 85℃時介電常數(shù)降低（ ≈2.2）擊穿強(qiáng)度下降同時循環(huán)壽命降低[10,11]。在民用用的迫切需求下，需要盡快的探索出一種高介電性能的材料。

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文低許多數(shù)量級，這解釋了傳導(dǎo)電流的強(qiáng)烈抑制。Ishino 等人的實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果也支了這一機(jī)制，該理論表明，具有高極性基團(tuán)的線性高分子聚硫脲比其他不含極性團(tuán)的聚合物有著更高的擊穿強(qiáng)度和更低的高場傳導(dǎo)損耗。在本文中，研究了聚硫這種新型介電聚合物，因?yàn)檫@是一種極性聚合物，所以能夠在高電場（1×104kV/cm環(huán)境中正常工作并維持著低的介電損耗（＜0.01），其能量密度（＞20J/cc）是 BOP能量密度的 10 倍。1.2.4 線性高分子介質(zhì)材料發(fā)展電容器的發(fā)展是曲折而又慢長的，如圖 1-2 為電容器的發(fā)展史[28]。最初本明·富蘭克林（Benjamin Franklin）認(rèn)為萊頓罐中的水對儲能不是理想的，在 17 紀(jì) 50 年代早期富蘭克林發(fā)明了金屬箔-玻璃電容器。Pollak 發(fā)明了電解電容器并1887 年提交了關(guān)于電解電容器的專利，這篇專利對電解電容器進(jìn)行了全面的描述Mansbridge 發(fā)明了“自清除”電容器（即電介質(zhì)擊穿之后恢復(fù)電容性能），并在 19年提交了相關(guān)專利。

第一章 緒論（PS）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚碳酸酯以及雙軸取向聚丙烯（BOPP）等材料，目前 BOPP 作為主導(dǎo)高能量密度料。在電子市場（無線電）大眾化之后，電容器的研究以尋求具有更高能更低成本的技術(shù)為目的，這項工作目前仍在繼續(xù)，而且最近已經(jīng)將電容器度列為重要的研究參數(shù)。得到高穩(wěn)定性能及高能密度的聚合物薄膜應(yīng)用以應(yīng)用在混合動力汽車（HEV）、電子設(shè)備、變速驅(qū)動器以及其它形式的系統(tǒng)。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 顧逸韜;劉宏波;馬海華;童苑馨;;電介質(zhì)儲能材料研究進(jìn)展[J];絕緣材料;2015年11期

本文編號：2772551