《功能高分子材料的鐵電行為調控及機制研究》是依託武漢理工大學，由王慶擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：功能高分子材料的鐵電行為調控及機制研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：王慶
- 依託單位：武漢理工大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
設計併合成由鐵電聚合物和低極化度聚合物組成的精確可調的交替嵌段共聚物以降低鐵電疇的尺寸並分離協同的鐵電效應；開發基於鐵電聚合物的交聯網路，使它具有可控的分子結構、可調的極化滯後特徵以及更高的介電強度；設計併合成含有全氟側鏈和烷基側鏈的二元鐵電共聚物以及三元鐵電共聚物，洞悉鐵電限制效應；將分子尺度的無機組分引入到鐵電聚合物基體中來分離協同的鐵電效應並調節體系的介電性能；探明自組裝結構和無機組分對鐵電聚合物的分子構象、結晶度以及結晶結構的影響； 探明在不同電場下鐵電聚合物及其分子雜化材料的極化滯後和相轉換行為對分子結構和形貌結構的依賴關係；通過介電譜和高場極化及電性能表征手段系統研究所製備的各種材料的介電回響以及它們對頻率、溫度的依賴關係、高場下的介電強度及鐵電損耗，建立聚合物分子結構、結晶結構以及形貌結構與鐵電性能之間的關鍵聯繫，全面揭示聚合物中新型鐵電行為的本質。
結題摘要
鐵電高分子不僅具有介電強度高、質量輕、易加工、成本低以及結構可調等特點，而且還擁有獨特的柔軟、易成膜等物理機械性能，因此廣泛套用於壓電感測器、電容器儲能、制動器等領域。與無機鐵電陶瓷不同，鐵電高分子具有多級結構，其鐵電行為受結晶度、結晶尺寸、分子構象等多方面影響。因此，探明鐵電高分子極化特性與相轉換行為與分子結構及形貌結構的依賴關係，對設計具有全新鐵電性能的高分子材料、拓展鐵電高分子材料的套用具有深遠的意義。 本項目通過懸浮聚合法合成了一系列偏氟乙烯 (VDF) 和三氟溴乙烯(BTFE) 的共聚物，研究不同的鏈構象、分子內缺陷、結晶結構、晶粒尺寸等對鐵電行為的影響。研究發現，通過引入BTFE能有效減小鐵電聚合物的晶粒尺寸，並且形成穩定的γ相，從而實現較高的極化強度和較低的損耗。以偏氟乙烯（VDF）和氯三氟乙烯（CTFE）組成的二元鐵電共聚P(VDF-co-CTFE)為基體，採用二氧化矽包覆的石墨烯納米片為無機納米填料，製備了滲流型鐵電複合材料。對不同組分材料進行了系統的結構與性能表征。結果顯示，以經過二氧化矽包覆的石墨烯為填料得到的複合體系具有更高的電擊穿強度、更低的介電損耗以及更高的介電常數。 採用化學剝離法製備了氮化硼納米片（BNNS），將製備的BNNS與自製的三元無規共聚物 P(VDF-TrFE-CFE)複合，製備了P(VDF-TrFE-CFE)/ BNNS薄膜複合材料，研究了BNNS對P(VDF-TrFE-CFE)結晶度和結晶結構的影響，探明了鐵電高分子的鐵電行為與結晶結構的依賴關係。研究發現，BNNS能有效提高基體的結晶度，減小晶粒尺寸。當BNNS添加量為12 wt.%時，P(VDF-TrFE-CFE)的結晶度從31%提升到了35%，同時晶粒尺寸從49.4 nm減小至29.0 nm，能量密度從純聚合物的~9.2 J/cm3 提升為20.3 J/cm3。基於前述得到的高擊穿強度複合材料進行多層結構設計，分析無機高介電填料對聚合物鐵電儲能行為的影響，以期望能夠同時提高材料的擊穿場強和介電常數，進而提高鐵電聚合物的儲能密度。採用熱壓法製備了由上下層為聚偏氟乙烯/六方氮化硼納米片複合材料，中間層為聚偏氟乙烯/鈦酸鍶鋇納米線複合材料構成的三明治結構納米複合材料。在中間層BST含量為8 vol.% 時，複合材料表現出最大擊穿場強與能量密度。
