《高儲能BaTiO3/PVDF電介質的界面設計與極化機理研究》是依託北京化工大學，由劉曉林擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：高儲能BaTiO3/PVDF電介質的界面設計與極化機理研究
- 依託單位：北京化工大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：劉曉林
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目旨在通過BaTiO3粉體的功能化製備BaTiO3/PVDF儲能電介質複合材料，並通過多層結構設計達到製備高儲能密度材料的目的，探索高儲能BaTiO3/PVDF電介質的界面設計與極化機理研究。.選擇合適改性劑使BaTiO3表面功能化並與PVDF複合；研究功能化BaTiO3混入量與複合材料介電性能和擊穿場強的關係，探索功能化BaTiO3對提高複合材料儲能密度的影響規律。依據電介質界面極化原理，設計具有介電梯度的複合材料結構方案並製成相應材料，利用多種現代測試儀器及各種顯微表征手段獲得介電層厚度、層間介電差異、介電層組合規律及層界面結合情況等對複合材料介電常數的影響規律，取得最佳化的複合材料的結構模型參數，以在不降低擊穿場強情況下提高其整體介電常數獲得高儲能密度材料，弄清界面極化和材料儲能密度的內在聯繫。項目實施拓展了高儲能複合材料的製備方法，為儲能器件材料研製提供理論基礎和產業化支持。
結題摘要
為滿足小型化、輕量化及高性能電容器需求，本項目設計和製備了單層和多層BaTiO3/PVDF介電複合材料，獲得了提高材料介電常數、擊穿場強及儲能密度的最佳化組成和結構參數，解釋了電性能提高的機制，為製備材料提供理論依據。採用鈦酸酯、多巴胺、PEG和Silica分別對100nm BaTiO3進行表面功能化處理，採用液相澆鑄、流延及旋塗工藝製備單層或多層複合材料，材料介電或抗擊穿性能得到提高。對於單層材料，鈦酸酯和多巴胺改性後所得材料的擊穿場強均得到提高，BaTiO3分別添加7vol%和5vol%時，擊穿場強超過200kv/mm，繼續增加BaTiO3可使擊穿場強減小，20vol% 時的擊穿場強均低於100kv/mm；添加7vol%Silica改性BaTiO3時，擊穿場強也達200kv/mm，BaTiO3增至33%時擊穿場強仍可保持在100kv/mm以上；添加10vol%PEG改性的BaTiO3%時，介電常數達50，高於改性前2倍多。對於多層結構複合材料，5層交替結構材料的電性能較優，BaTiO3總含量為20vol%時，介電常數超過同含量單層材料的1.4倍，擊穿場強仍可保持115kV/mm。1、有機-無機相容性機制可解釋表面功能化後BaTiO3/PVDF複合材料擊穿場強提高的現象。鈦酸酯和多巴胺分子所帶的長鏈烷基、羥基、氨基與BaTiO3和PVDF以化學鍵的形成結合，可減少界面間形成導電通路的幾率，阻止擊穿場強降低；Silica的巨大比表面積及Silica帶有的羥基基團可將BaTiO3與PVDF形成緊密結合，使Silica在相界面處吸收應力減緩擊穿場強下降，使材料在高BaTiO3含量時擊穿場強仍保持較高。2、介電差異-界面極化效應存在於多層BaTiO3/PVDF複合材料中，能有效提高材料介電常數。一方面，BaTiO3與PVDF間介電差異產生的界面極化效應可提高單層介電常數；另一方面，相鄰層間介電差異形成的界面極化效應可進一步提高複合材料的介電常數。3、庫侖阻塞效應初步解釋了添加導電第三相的複合材料電性能提高的結果。當導體含量分別為1.9%(50nmNi)和0.24%(50nmAg)時，三相材料擊穿場強達可達200kV/mm和163kV/mm，優於純BaTiO3/PVDF兩相複合材料，添加少量導體可誘發庫侖阻塞效應，利於擊穿場強的提高，本研究可作為複合材料電性能的新研究方向。
