石墨微片/PVDF复合薄膜结构与性能的研究

选用石墨微片为填充材料,以PVDF为基体,采用流延法制备PVDF基介电复合薄膜。将热膨胀后的石墨微片进行表面化学改性得到改性石墨微片。将改性石墨微片添加到PVDF基体中,制备了石墨微片/PVDF复合薄膜,对复合薄膜的微观结构、结晶性能、热力学稳定性以及介电性能进行测试,分析了石墨微片对复合薄膜性能的影响。结果表明:石墨微片直径为微米级且能较好的分散在PVDF基体中,石墨微片的引入对PVDF薄膜的相变影响不大。热分析显示,石墨微片的加入提高了复合薄膜的热稳定性。宽频介电谱测试表明,在100 Hz测试频率下,当石墨微片含量≤3%时,复合薄膜的介电常数最高为36。当石墨微片含量提高至5%时,复合薄膜的介电常数突增至6.5×105。     

PI/ZIF-67三层复合薄膜的制备和性能研究

在3,3',4,4'-联苯四甲酸二酐(BPDA)-4,4'-二氨基二苯醚(ODA)型聚酰亚胺(PI)基体中引入2-甲基咪唑钴(ZIF-67)作为纳米填料,制备具有“三明治”结构的PI/ZIF-67三层复合薄膜.采用FTIR、XRD、SEM对ZIF-67及PI/ZIF-67三层纳米复合薄膜的结构进行表征,研究ZIF-67含量对复合薄膜热稳定性、介电性能的影响.结果 表明:当ZIF-67质量分数在10％以内时,PI/ZIF-67三层复合薄膜的初始分解温度大于500℃,具有较好的热稳定性;PI/ZIF-67三层复合薄膜的介电常数明显低于PI,当ZIF-67的质量分数为10％时,PI/ZIF-67三层复合薄膜的介电常数下降幅度可达50％;当ZIF-67质量分数为5％时,介电常数下降幅度达到71％.与不含ZIF-67的纯PI相比,ZIF-67质量分数低于10％的PI/ZIF-67三层复合薄膜的介质损耗略有提高.     

高储能密度全有机复合薄膜介质材料的研究

电容器储能以其轻便、高效、环保等特点正在逐步引起人们的重视。为制备高储能密度的电容器介质材料,研究以聚偏氟乙烯(PVDF)为基体,以纳米尺度的导电聚苯胺(PANI)为填料,采用溶液法及后续的球磨工艺制备了高储能密度的全有机复合薄膜介质材料。研究了添加物含量、频率等因素对复合介质材料介电性能的影响。发现当PANI体积分数达到0.05时(略高于渗流阈值fC=0.041),复合薄膜的介电常数在100 Hz条件下高达456,击穿场强为60 MV/m,储能密度达到了7.2 J/cm3,与PVDF基体相比提高了3倍多。另外还发现即使在渗流阈值附近,复合薄膜介电性能仍具有一定的频率稳定性。介电常数在低频范围(102~104Hz)内基本保持不变。利用SEM对复合薄膜的表面形貌进行了分析,发现有机填料PANI粒子在PVDF基体内有很好的分散性。另外利用XRD分析了复合薄膜的晶体结构,发现该制备工艺条件下所得复合材料基体主要以β-PVDF形式存在,这有助于发挥PVDF基体的功能性。渗流阈值理论可用来解释介电常数随添加物含量和频率的变化规律。研究结果表明,该制备工艺可得到适用于较宽频率范围的高储能密度复合薄膜。     

原位聚合法制备石墨烯/PPSU介电复合薄膜

采用二氯亚砜对氧化石墨烯进行表面化学修饰得到酰氯化石墨烯,然后通过原位聚合法与酚羟基封端的聚苯砜反应制备了一系列不同石墨烯含量的石墨烯/聚苯砜纳米复合薄膜。研究石墨烯对该复合薄膜的微观形貌、力学性能、介电性能的影响。结果表明:酰氯化石墨烯可使得石墨烯与聚苯砜基体之间共价结合,提高石墨烯在基体树脂中的分散稳定性和界面相容性,进而有效地改善聚苯砜的力学性能和介电性能。石墨烯/聚苯砜纳米复合薄膜的介电常数和介质损耗因数随着石墨烯含量的增加呈先慢后快的增长趋势;石墨烯质量分数为3%的复合薄膜的介电常数高达18,是纯聚苯砜薄膜的介电常数的4.5倍;同时复合薄膜还具有较低的介质损耗因数和良好的介电-频率稳定性。     

核壳结构纳米纤维掺杂PMMA/PVDF基复合介质的储能特性研究

为探索核壳结构纳米纤维对聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)/聚偏氟乙烯(polyvinyllidene fluoride,PVDF)基复合介质储能特性的影响规律。该研究采用静电纺丝技术制备了高长径比的掺锰钛酸锶纳米纤维(Mn-ST NFs),并对纤维表面进行二氧化硅(SiO_2)包裹处理。通过溶液铸造法制备了Mn-ST-PMMA/PVDF和Mn-ST@SiO_2-PMMA/PVDF两种复合介质。利用X射线衍射仪和扫描电子显微镜对复合介质进行晶体结构和形貌表征,利用宽频介电谱仪和铁电测试系统获得复合介质的介电性能与储能特性,采用COMSOL Multiphysics软件对复合介质的基本电学参数进行仿真模拟分析。综合实验测试与仿真分析结果可知,Mn-ST@SiO_2-PMMA/PVDF复合薄膜具有更优异的介电和储能特性,其中Mn-ST@SiO_2-PMMA/PVDF复合薄膜在填充相体积含量为0.5%时其放电能量密度为11.29J/cm~3,充放电效率为84.07%。优异的电学性能主要源自无机Mn-ST与聚合物之间的界面极化效应,以及非晶SiO_2壳层能够有效提高无机填料和聚合物基体间的界面相容性,并限制界面间空间电荷的迁移。该研究为提高聚合物纳米复合介质的储能特性开辟了一种新的途径。     

聚丙烯/聚偏氟乙烯共混复合材料的介电性能的研究

研究了高介电常数的聚偏氟乙烯(PVDF)共混改性聚丙烯(PP)以提高PP的介电性能.分析了PVDF含量、加入的聚丙烯接枝马来酸酐(PP-g-MAH)增容剂和拉伸等因素对PP/PVDF复合材料介电性能的影响.采用SEM和DSC等方法研究了复合材料的界面性能.结果显示,聚偏氟乙烯(PVDF)及增容剂的加入能够提高PP/PVDF的介电性能,拉伸由于能促进β相PVDF的生成,同样可以有效地提高复合材料的介电常数.     

二氧化钛/多壁碳纳米管/聚芳醚腈三元复合材料的介电性能

通过溶剂流延成膜法配合超声辅助分散制备一种二氧化钛/多壁碳纳米管/聚芳醚腈(TiO2/MWCNT/PEN)三组分复合材料薄膜。对纯PEN薄膜和TiO2/MWCNT/PEN三组分复合材料薄膜的脆断面形貌进行表征,对比分析了TiO2/PEN二组分复合材料薄膜、MWCNT/PEN二组分复合材料薄膜以及TiO2/MWCNT/PEN三组分复合材料薄膜在50 Hz~100 kHz频率内的介电性能。结果表明：超声分散技术使TiO2和MWCNT在PEN基体中分散均匀;同时加入20% TiO2和3% MWCNT的TiO2/MWCNT/PEN复合材料薄膜的介电常数达到26（50 Hz）,说明这两种填料对复合材料介电常数的提高有协同作用。     

三明治结构聚偏氟乙烯基复合介质的微结构设计及介电特性

为了研究填充相和结构对聚偏氟乙烯基聚合物(PVDF)介电和储能特性的影响,采用溶液铸造和热压工艺制备了含有二维氮化硼薄片和钛酸钡颗粒的单层复合薄膜及三明治结构复合薄膜。采用X射线衍射和扫描电子显微镜分析了复合薄膜的晶体结构和形貌,利用宽频介电谱仪和铁电综合测试仪获得了薄膜的介电性能和储能特性。结果表明,制备的三明治结构复合薄膜具有优异的性能,其中BN-PVDF/BaTiO_3-PVDF/BN-PVDF三明治结构复合薄膜在10 Hz时的相对介电常数为13,放电能量密度在电场强度为350 MV/m时高达6.2 J/cm3,是单层BaTiO_3-PVDF复合薄膜的1.6倍;其击穿场强高达370 MV/m,是BaTiO_3-PVDF的1.5倍;且其放电效率为0.55。总结得出,这是因为三明治结构中上下2层引入的BN 2维薄片提高了复合介质击穿强度,缓解了电极化强度过早饱和;而中间层BaTiO_3的引入增强了复合介质的极化特性,从而获得了具有优异介电性能和储能特性的PVDF基复合薄膜。     

高介电常数低介电损耗PEG@graphene/PVDF复合材料的制备及性能研究

将单端氨基化聚乙二醇(PEG-NH2)接枝的石墨烯填充到聚偏氟乙烯(PVDF)基体中,通过溶液法制备了PEG@graphene/PVDF纳米复合材料,并借助扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、热重分析(TGA)以及阻抗分析仪等手段对复合材料的结构形貌及介电性能进行了分析表证。研究表明:改性的石墨烯具有较好的溶剂稳定性,能均匀分散在PVDF基体中,与基体界面结合良好;具有核壳结构的PEG@graphene有效提高了PVDF复合材料的介电常数,降低了介电损耗。PEG@graphene/PVDF质量分数3%复合材料的介电常数高达137,介电损耗为0.29(50 Hz)。     

硅烷偶联剂改性对SiO2/PI复合材料热力学与介电性能的影响

为了研究硅烷偶联剂改性对SiO₂/PI复合材料热力学与介电性能的影响及其内在机理，采用分子动力学模拟的方法建立纯聚酰亚胺、SiO₂/PI以及SiO₂表面硅烷偶联剂接枝密度为6%和12%的SiO₂/PI复合模型，计算4组模型的溶解度参数、相互作用能、玻璃化转变温度、杨氏模量、剪切模量、均方位移、自由体积分数、相对介电常数和电气强度。结果表明：硅烷偶联剂改性显著提升了复合材料的热力学与介电性能，接枝密度对改性效果有明显影响，其中硅烷偶联剂接枝密度为6%的SiO₂/PI复合体系热力学性能最好，同时保持较低的相对介电常数和较高的电气强度。此外，接枝硅烷偶联剂的两个体系具有较小的自由体积分数和均方位移，以及较大的溶解度参数和相互作用能，表明限制分子链的运动以及提升SiO₂与PI基体间相容性是改善复合材料热力学与介电性能的关键。     

环氧/纳米铝片复合材料的介电与导热性能研究

以环氧树脂为基体、纳米铝片为填料,通过自转-公转混合技术制备了环氧/纳米铝片复合材料。采用扫描电子显微镜、宽频介电谱仪和导热仪分别研究了复合材料的微观结构、介电性能以及导热系数。结果表明:纳米铝片在复合材料的面内方向具有一定取向;复合材料的介电常数和导热系数相对于纯环氧树脂均获得了大幅提高。当纳米铝片的体积分数为50%时,复合材料的介电常数和导热系数相对于纯环氧树脂分别提高了约36倍和15倍。     

聚酰亚胺/纳米氧化钛复合薄膜的介电性能研究

采用原位分散聚合法制备了聚酰亚胺/纳米TiO2复合材料。通过透射电镜研究了纳米TiO2粒子在聚酰亚胺基体中的分散状态,并在此基础上研究了纳米TiO2填加量对该复合材料介电性能的影响。结果表明,随着纳米TiO2含量的增加,聚酰亚胺/纳米TiO2复合材料的体积电阻率和电气强度出现不同程度的劣化,并造成了介电常数和介质损耗因数的增加,但是材料的耐电晕性能显著增强,在12MV/m的电场强度下,纳米TiO2含量15%的PI薄膜的耐电晕寿命为纯PI薄膜的40多倍。     

方波脉冲下纳米氧化铝掺杂对聚酰亚胺介电性能的影响

为了研究方波条件下纳米Al2O3对PI膜介电性能的影响,将粒径为60 nm的Al2O3纳米粒子作为无机填料添加到PI基体中,制作了掺杂量质量分数为1%,2%,5%,7%,10%的PI薄膜。测量了PI/Al2O3薄膜耐电晕性能和介电温度谱以及介电频谱,并用SEM镜观察了放电前后PI/Al2O3薄膜微观形貌。研究结果表明:Al2O3纳米粒子的掺入提高了复合薄膜的耐电晕性能;PI/Al2O3复合薄膜的相对介电常数(εr)与介质损耗正切(tanδ)值随着Al2O3含量升高而升高,其tanδ值随着频率的增加先减小后增大,在200 Hz处有最小值。在同一频率下,PI/Al2O3薄膜εr和tanδ表现出对温度的依赖性,tanδ在70℃与170℃附近出现两个峰值;且随着Al2O3含量的增高,tanδ介电峰向高温方向移动。PI基体中高分子链缠结在纳米粒子周围,纳米粒子所引入的界面以及在聚合物中表现的"钉扎效应"是影响PI/Al2O3复合薄膜介电性能的主要原因。     

添加二氧化硅纳米颗粒对环氧树脂介电和空间电荷特性的影响

为研究纳米颗粒对环氧树脂(epoxy resin,ER)介电和空间电荷特性的影响,以环氧树脂为基体材料,纳米二氧化硅(silicon dioxide,SiO_2)为填料,制备了SiO_2纳米颗粒质量分数在0～5%范围内的ER/SiO_2纳米复合电介质。测试和研究了复合电介质在不同频率下的介电特性和直流场强为33 k V/mm下的空间电荷行为。当SiO_2纳米颗粒的质量分数为0.5%和1%时,复合电介质可以获得较低的介电常数和介质损耗,同时有效抑制了同极性空间电荷在电极界面处的积累及注入;当SiO_2纳米颗粒的质量分数为2.5%和5%时,复合电介质在低频区域介电常数和介质损耗均比纯环氧树脂高,但在高频区域变化不明显,同时在电极界面处的空间电荷积累显著增加、注入明显。研究结果表明:纳米颗粒含量较低时ER/SiO_2复合电介质介电和空间电荷性能得到提高,是由于受到环氧树脂基体和纳米粒子之间的界面区影响,界面区是改善环氧树脂纳米复合材料电性能的关键因素。     

钛酸钡填料形状对其聚合物复合材料介电性能的影响

分别以钛酸钡纳米棒、钛酸钡纳米颗粒和钛酸钡微米颗粒作为填料,以聚偏氟乙烯(PVDF)作为基体,制备了3个系列高介电复合材料,并用阻抗分析仪对复合材料的介电性能进行了分析,研究填料形状对聚合物复合材料介电性能的影响。结果表明:随着钛酸钡填料体积分数的增加,复合材料的介电常数均明显增加,同时介质损耗也保持在较低水平。当电场频率为1 kHz、填料体积分数为40%时,钛酸钡纳米棒/PVDF的介电常数在3个系列复合材料中最高,达到24.1。     

纳米复合材料导热与介电性能仿真

以纳米复合材料作为研究体系,选取典型的氮化硼（BN）/环氧树脂（EP）复合材料与钛酸钡（BT）/聚偏氟乙烯（PVDF）复合材料,通过有限元方法研究了纳米填料的体积分数、粒径大小和尺寸分布对复合材料导热性能和介电性能的影响,采用均匀场理论计算了复合材料的等效热导率和等效介电常数。结果表明：随着填料体积分数的提高,BN/E...     

聚酰亚胺基BN微纳米复合材料的电气绝缘性能研究

通过原位聚合法制备了不同BN掺杂含量的聚酰亚胺基微纳米复合材料,使用扫描电镜、偏光显微镜、电气强度测试仪、介损及介电常数测量系统、皮安表和耐电晕老化实验装置对不同掺杂含量的微纳米复合PI薄膜的结构和电性能及耐电晕老化性能进行了研究。结果表明:随着BN微纳米颗粒掺杂量的增加,复合PI薄膜的电气强度先增大后减小,当掺杂含量为1%时,交流电气强度达到最大值219.6 kV/mm。掺杂BN后,复合PI薄膜的介电常数和介质损耗都有所增加,在高温下的电导电流小于纯PI薄膜。随着BN掺杂量的增加,复合PI薄膜的耐电晕老化性能逐步提升,在掺杂含量为20%时,复合PI薄膜的耐电晕老化时间是纯PI薄膜的116.7倍。     

嵌入式电容用钛酸钡/聚酰亚胺复合薄膜的制备及性能研究

对钛酸钡(BT)纳米粒子进行了表面改性,采用原位聚合法将钛酸钡与聚酰亚胺复合制备了高介电BT/PI复合薄膜,为了进一步提高介电性能,将第三组分炭黑掺入其中,并对其进行了红外光谱、扫描电镜(SEM)分析和介电性能测试。结果表明:与未改性的复合薄膜相比,改性后纳米粒子在基体中分散更加均匀,复合薄膜的介电性能明显提高,可用于制备嵌入式电容中的电介质材料。     

氧化石墨烯表面原位生长纳米钛酸钡增强聚苯砜复合材料的性能研究

采用溶剂热法以氧化石墨烯为基板并在其表面原位制备得到"三明治"结构的BaTiO_3@GO杂化材料,m(BaTiO_3)∶m(GO)=25∶1。以此作为纳米填料,以聚苯砜(PPSU)树脂为基体,通过溶液流延成膜法制备了BaTiO_3@GO/PPSU三组分复合薄膜,并对该复合薄膜的微观形貌、力学性能、介电性能-频率和介电性能-填料含量的变化规律进行研究。结果表明:氧化石墨烯表面原位生长出一层纳米尺寸的BaTiO_3陶瓷层,改善了氧化石墨烯表面的粗糙度,使得BaTiO_3@GO在PPSU基体树脂中展示出良好的分散性和相容性,同时复合薄膜具有良好的拉伸强度和柔韧性。BaTiO_3@GO/PPSU三组分复合薄膜的介电常数随着BaTiO_3@GO含量的增加呈先慢后快的增长趋势,当BaTiO_3@GO含量为50%时,复合薄膜的介电常数高达20.3,是纯PPSU树脂介电常数的4.5倍;同时复合薄膜还具有较低的介电损耗、良好的介电性能-频率稳定性。     

高介电常数的聚合物基纳米复合电介质材料

高介电常数的聚合物基电介质材料无论是在电力工程,还是在微电子行业都具有十分重要的作用。研究中主要以聚偏氟乙烯(PVDF)为基体,以纳米和微米尺度的高介电常数的铁电陶瓷钛酸钡(BT)的前驱体粉末为功能添加组分,采用特殊的工艺制备了高介电常数的聚合物基纳米功能电介质复合材料。研究了制备工艺、添加物含量、以及微米/纳米BT的体积比等因素对复合电介质材料介电性能的影响。发现在无水乙醇中,通过纳米BT与PVDF颗粒之间强烈的吸附作用以及热模压工艺,可以制备高度分散性的BT/PVDF纳米复合材料。同时通过合理的组合微米/纳米BT的体积比,在BT同样的体积含量时,微米/纳米BT的共混物对复合材料介电性能的提高有明显协同效应。利用该效应可以制备介电常数高的聚合物基电介质材料。