高介电偏氟乙烯基复合材料界面壳层设计及纳米释电成像机理的研究

High-energy-density nanocomposites play a key role in modern electronics and electric power systems, such as wearable electronics, hybrid vehicles and weapon systems. There are still key issues in interfaces, which leads to some disadvantages such as, low breakdown voltage, high dielectric loss and poor dispersion. This project intends to accurately design and synthetize different shell structure of BaTiO3 nanoparticle (Core@single shell or double shell), to solve interfacial adhesion between nanoparticle and PVDF-based polymers. Furthermore, we innovatively explore combined Flash DSC with piezoresponse force microscope to observe nanoscale interfacial crystallization and the dynamic mapping of interfacial energy release. This project tries to dig out the inner relationship between the different polarization of shell structure and interfacial ferroelectric/paraelectric crystal growth kinetics mechanism of PVDF-based polymers under different conditions, and further understand the mechanism of interfacial polarization, nanoscale energy distribution and coupling at interface. Finally, a bridge between the mechanism of nanoscale interfacial polarization and macroscopic electric properties will be established, which provides a microscopic visualization method and guides us how to design high-energy-density PVDF-based nanocomposite.

高储能密度的复合材料在现代电子电气如可穿戴电子、混合动力汽车和武器系统等国民经济和国家安全防卫方面扮演着十分重要的作用。针对纳米复合材料的界面问题导致材料的击穿电压低、介电损耗高和分散性差等不利因素，本项目提出采用化学方法构筑纳米颗粒的不同界面壳层分子（如单壳-单核或双壳-单核），解决纳米颗粒与偏氟乙烯基聚合物相容性问题。同时创新性地探索运用闪速热分析和扫描探针镜显微相结合的方法观测和探讨在纳米尺度下界面结晶及界面动态释电过程。探索不同极性的壳层结构对PVDF基聚合物在不同条件下界面处铁电/顺电晶体生长动力学机制问题，及进一步理解特殊结构的纳米颗粒在充放电过程中界面效应、界面能量配分及耦合的机制问题。搭建微观界面极化机制和宏观电学性能的之间桥梁，为设计出高能量密度的纳米复合物提供一种微观可视化的方法并指导制备高储能密度的PVDF基复合材料。

纳米复合方法为人们设计高能量密度的介电材料打开一条新研究途径，同时也带来一些新的科学问题，如填料的分散性差、耐击穿强度低和介电损耗高等不利因素。因此，填料的界面设计是制备高储能和高耐击穿的聚偏氟乙烯基纳米复合材料关键因素之一。本项目在纳米填料的界面壳层设计、界面结晶动力学机制和界面释电成像等方向开展系统研究。首先，采用化学方法成功地钛酸钡表面构筑不同壳层类型的核壳填料，如芳香族聚硫脲ArPTU@BT, 导电碳Carbon@BT,和树枝状PAMAM@BT纳米颗粒等。Comsol理论计算和实验结果表明ArPTU壳层结构修饰填料，不仅提高体系的分散性，也能够改变体系的电荷分布和容忍更高耐击穿电场强度，提升体系的储能密度；其次，我们运用超快速扫描量热仪(Flash DSC)研究了不同壳层材料对纳米复合物在全温度范围内界面结晶机制。研究发现添加Carbon@BT和ArPTU@BT纳米颗粒作为异相成核中心，可以提高结晶速率，形成较小晶畴结构，从而有利于提高铁电的极化强度和储能密度。最后，我们探索利用空间/时间分辨扫描探针显微镜技术（SPM）观测在纳米尺度下复合材料的界面储能和释放。通过界面畴弛豫行为观测发现PS-COOH比PS纳米微球更有更明显的界面极化层，诱导体系生成更多铁电相，从而提高体系的放电能量密度。该技术还提供了一种实时、真实地可视化纳米复合物的界面能量释放过程。另外，基于石墨烯界面诱导效应，与纯P(VDF-TrFE)相比较,P(VDF-TrFE)/GO薄膜有利于生成低温铁电相。所制P(VDF-TrFE)/GO 薄膜得具有超高的存储密度大于300 Gbits.in-2、良好的写入和擦除重复性、较长的数据保留时间和较高的器件工作温度。最后，基于界面超声增强的原理，核-壳结构压电纳米填料在生物体内显示了出色的超声波吸收和电磁场生成性能。纳米颗粒在超声刺激下产生的电磁场导致酪氨酸羟化酶表达的特异性增强，逆转多巴胺能神经元功能，从而改善帕金森模型斑马鱼的游泳行为障碍。这种基于压电超声体系作为一个安全可行的无线工具用于治疗神经退行性疾病和再生神经。