钛酸锶钡/聚合物功能层及其组合结构对复合电介质储能影响的研究

High-performance dielectric materials play a key role in the development of high energy storage capacitor. The conventional dielectric ceramic or polymer materials have been unable to meet the requirement of the high energy storage capacitor. Currently, the composites combining inorganic nanoparticles and polymer matrixes can increase the dielectric constant, but usually reduce the breakdown strength. The present proposal use of different morphologies (spherical particles and one-dimensional fibers) of barium strontium titanate ceramic nano-fillers and polyvinylidene fluoride polymer to form particular functional layers and create composite structure of the functional layers to achieve simultaneously increasing of the dielectric constant and the breakdown field strength. Research on the effect of the composite structure arrangement of the functional layers on the dielectric properties and energy storage of the composite material. The present project provides a novel way to enhance the energy density in the composite materials, and a strategy to develop high energy storage composite dielectrics.

高性能电介质材料在高储能电容器研制中起关键作用。单纯使用传统陶瓷或聚合物电介质材料已无法满足高储能电容器的需求，目前普遍采用无机纳米颗粒与聚合物结合获得高介电常数的复合电介质材料，但击穿场强却普遍降低。本项目提出同时使用不同形貌（球形颗粒和一维纤维）的钛酸锶钡陶瓷纳米填料与聚偏氟乙烯复合，通过制备工艺控制不同形貌的陶瓷纳米填料与聚合物形成特定的功能层，并以功能层形成宏观组合排布结构，以期达到同时提高复合材料的介电常数和击穿场强的目标。查明不同物性功能层和组合排布结构对复合材料介电性能和储能特性的影响机制，建立基于功能层物性和组合排布结构提升复合材料介电性能的策略，为开发新型高储能复合电介质材料提供理论依据。

高性能电介质材料在高储能电容器研制中起关键作用。单纯使用传统陶瓷或聚合物电介质材料已无法满足高储能电容器的需求，目前普遍采用无机纳米颗粒与聚合物结合获得高介电常数的复合电介质材料，但击穿场强却普遍降低。本项目提出同时使用不同形貌（球形颗粒和一维纤维）的钛酸锶钡陶瓷纳米填料与聚偏氟乙烯复合，通过制备工艺控制不同形貌的陶瓷纳米填料与聚合物形成特定的功能层，并以功能层形成宏观组合排布结构，以期达到同时提高复合材料的介电常数和击穿场强的目标。1. 建立了一种改性工艺用于修饰陶瓷纳米颗粒，通过有机包覆层改善了纳米颗粒与聚合物基体间的相容性，极大地消除了无机粒子的团聚减少复合材料内部的缺陷，使得复合薄膜的击穿常数提升了25%。2. 发展了一种制备具有介电过渡层结构的核-壳结构纳米粒子的方法，制得核-壳结构的TO@BT、BST@BT等纳米粒子，利用两种具有介电常数差异的无机材料形成的界面产生额外的极化，有效提升了复合材料的介电常数。3. 设计了一种套管结构的纳米纤维，无机材料间形成的界面能够产生界面极化，同时由于这种界面效应被外层材料封闭在纤维内部，并不会对复合材料的击穿强度产生不利影响，在复合薄膜BST@BT/PVDF中达到13.93 J/cm3的储能密度和73.9%的储能效率。4. 采用旋涂的工艺方法制备了具有不同功能层结构的BT/PVDF复合薄膜，研究发现随着层数的增多，膜之间的缺陷增加，内部溶剂蒸发造成的微孔，降低了聚合物的结晶度，同时增加了界面极化。5. 利用外加电场或依靠静电纺丝辊轮收集实现对不同填料排列、分布的调控，发现了填料/晶相取向排列对性能的提升作用。6. 针对纳米颗粒壳层物性引起界面极化变化的相场模拟验证了实验现象，建立了最优核-壳结构纳米粒子的构型。本项目通过上述研究工作，基本查明了不同物性功能层和组合排布结构对复合材料介电性能和储能特性的影响机制，建立了基于功能层物性和组合排布结构提升复合材料介电性能的策略，为开发新型高储能复合电介质材料提供理论依据。