高绝缘-铁电复合微粒诱导的高静电储能柔性聚合物复合材料外文翻译资料

 2022-01-13 10:01

英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

高绝缘-铁电复合微粒诱导的高静电储能柔性聚合物复合材料

基于一种大胆的假设，一种由紧密嵌入氮化硼（BN）纳米片中的BaTiO3纳米颗粒组成的复合纳米颗粒，即BN可以作为包含铁电纳米颗粒的宿主，以改善高电场下材料的绝缘和极化性能。聚偏氟乙烯（PVDF）复合材料具有较高的击穿场强（Eb约为580 kV/mm），以这种复合颗粒作为它的填料，当其质量含量为5 %时，复合材料的击穿场强为该聚偏氟乙烯膜的1.76倍。在580 kV/mm的电场强度下，观察到较大的电位移（9.3 mu;C/cm2），BT@BN/PVDF复合材料的高放电能量密度Ud约为17.6 J/cm3，是PVDF膜的2.8倍。在本研究中，获得的击穿场强Eb的增强率在目前报告的结果中最高。这种填料的复合结构为调整和改善聚合物基电介质材料的储能性能提供了一种有效的途径。

最近，在电介质中通过静电力存储电荷引起了很大关注。超高速放电的优越性，使电介质材料在医疗、新能源汽车、军事等领域中得到了重要的应用。储能密度U与击穿场强E成比例关系，表述为U =int;EdD。由此可见，电介质材料需要具有高介电常数（εr）和高击穿场强（Eb）才能具备高的储能密度。然而，同时获得复合材料的高εr和高Eb之间出现了矛盾。在填料含量高和低的情况下分别获得高的εr和Eb。大量的研究工作表明，在聚合物基体中加入少量的填料，可以提高击穿场强（Eb），这是由于电子散射效应和机械性能的改善。在这种情况下，无论填料的介电常数如何，根据实验结果和预测模型，复合材料的εr变化不大。根据储能方程，储能密度与Eb的平方和εr的一次方成正比。因此，实现高击穿场强E b对于获得高储能性能更为有效。

目前改善聚合物基电介质材料击穿场强Eb的主流方法仍然是从现有的绝缘材料中选择填料，如钛酸钡（BT）、氧化铝（Al2O3）、氧化锌（ZnO）、氮化硼（BN）等。然而，由于击穿场强（Eb）的改善有限，大部分结果显示储能性能不理想，且改善率通常小于50%。电击穿情况下的电子主要来源于基体材料中的不稳定成分，尤其是复合材料中填充物与基体的界面。由于填料和基体的介电常数存在较大的差异，在复合材料的界面处很容易积累空间电荷。

六方氮化硼（h-BN），是一种二维材料，带隙宽（约为5.2 ev），介电常数低（3-5），导热系数高（面内方向约为600 W∙m-1∙K-1和面外方向约为30 W∙m-1∙K-1），可剥离成几纳米厚度，称为白石墨烯，是聚合物基复合材料中最常用的填料之一，具有高绝缘性和导热性。 在能量存储电介质领域，Li等人报道的BNNS/P（VDF-TrFE-CFE）复合材料实现了高Eb（约为610 MV/m）和高放电能量密度Ud（约为20.3 J/ cm3）。 此外，更多其它的成果也报道了类似结果。

薄的h-BN纳米片（BNNS）在显微镜中看起来像是薄膜。一个大胆的假设是BNNS可以充当基体以结合其他颗粒，并且在形成复合颗粒的同时，期望在外部电场下改善绝缘和极化性能。 BaTiO3（BT）是一种具有高介电常数的传统铁电材料，广泛用于调节聚合物基复合材料的介电性能。在这项研究中，我们设计了BT@BN的复合颗粒，其中BT纳米颗粒嵌入BN中，并作为填料以制备PVDF基复合膜。在高温下，BNNS熔化后紧密包覆BT纳米颗粒获得BT@BN复合颗粒。BT@BN/PVDF复合材料的Eb值为580 kV/mm，放电能量密度Ud约为17.6 J/cm3，分别是原始PVDF基体的1.76和2.8倍（Eb约为329 kV/mm，Ud 约为6.3 J/cm3），与填充其他填料的复合材料相比，有非常显著的改善。

图1. BT@BN复合颗粒的制备过程和微观结构。

a）BT@BN复合颗粒制备过程示意图。

b）和c）剥离的BNNS和制备的BT@BN复合颗粒的TEM图像。

d）BT@BN复合颗粒超薄切片的TEM图像。

e）BT @ BN复合颗粒的HRTEM图像。

为了制备BT@BN复合颗粒，首先将BNNS分散在N，N-二甲基甲酰胺溶剂中并通过超声波剥离，然后与充分分散的BT/DMF悬浮液混合。过滤之后，将BT纳米颗粒插入到堆叠的BNNS之间。在700 ℃的高煅烧温度下，随机分布的BT纳米颗粒被相邻的BNNS紧密包裹，以在BNNS的缓慢熔化过程中形成BT@BN复合颗粒（图1a）。 剥脱的BNNS显示出0.6times;0.5 mu;m的大二维尺寸，如图2b所示。 BT@BN复合颗粒的TEM图像显示，100 nm 的BT纳米颗粒掺入BNNS中，其作用类似于宿主（图1c）。图1d中的TEM图像进一步证实了BT纳米颗粒插入到了堆叠的BNNS之间。在BT@BN复合微粒的HRTEM图像中（图1e），可以观察到几个不同的平行晶格平面，这表明BNNS的厚度约为7-15个原子层，且层间距约为0.33 nm。复合颗粒的尺寸分布相对均匀（图S1，支持信息）。 在BT @ BN的SEM图像中未观察到BT纳米颗粒（100 nm），这表明BT纳米颗粒被BNNS很好的包裹。

图2. BT@BN复合颗粒和BT@BN/PVDF复合材料的相组成分析。

a）BT和BN颗粒在空气气氛中的TGA曲线。

b）原始BN、过滤和干燥后分散的BT和BNNS的混合物、BT @ BN复合颗粒和复合颗粒质量含量为1 %的BT@BN/PVDF膜的XRD图谱。

厚度薄的特征使得BNNS在高温下易于熔化。如图2a所示，在空气气氛中BN的热重分析（TGA）曲线中出现了约500和650℃的两个增重峰。这意味着BN与空气反应导致重量增加3.5%。对于BT，由于表面和结合水的蒸发，在380 ℃附近有轻微的失重。在X射线衍射（XRD）图中（图2b），除BT和BN的相外，在BT@BN复合颗粒中检测到21°，23°和30°的2theta;处的新峰，其对应于BaTi(BO3)2相中（1 0 1），（1 0 2）和（1 0 4）的晶格平面。这意味着BT和BN之间发生了相互扩散，形成了紧密的界面。结合TGA和XRD结果分析，可以推断出在700 ℃的处理温度下，BNNS部分地与氧反应生成氧化硼。然后，氧化硼与BT反应生成BaTi(BO3)2。反应过程可描述如下。BN的TGA曲线中的最大增重仅为3.5 wt%，表明8.4 mol%的B原子被氧化。

2BN 5/2O2→B2O3 2NO (1)

B2O3 BaTiO3→ BaTi(BO3)2 (2)

制备了约5 mu;m厚的BT@BN/PVDF复合材料膜（图S2，支持信息）。为了获得稳定性和高性能，BT@BN复合颗粒很好地分散在PVDF浆料中，通过在玻璃板上的刮削过程获得具有光滑表面的膜。制备的膜经过淬火步骤。结果在PVDF中呈现alpha;相，反映在XRD图谱中，其峰值分别为17.7°和19.9°，分别对应于（1 0 0）和（1 0 0）的晶面。alpha;相的PVDF相有利于实现PVDF复合材料的高介电常数。

图3. 复合膜的电学性能。

  1. 四种膜的Eb随填料含量的变化曲线。
  2. PVDF和填料的质量含量为3 %的复合膜的电阻率和漏电流密度与电场强度的函数关系。

c-e）分别用BT@BN、BN和BT填充的PVDF复合材料中的模拟空间电荷密度。箭头表示电场的方向。颗粒位于模拟区域的中间位置。

基于韦伯分布分析（图S3，支持信息），计算复合膜和PVDF的击穿场强，并且Eb随填料含量的变化曲线如图3a所示。在分别添加BN、BT以及复合后的BT和BN的填料之后，复合膜的Eb显示出不同程度的增强。当BT@BN混合颗粒填料的质量含量为3%时，BT@BN/PVDF复合膜，获得了最高的E b值610 kV/mm，这是纯PVDF膜的1.85倍（Eb约为323 kV/mm）。在四种类型的膜中，BN/BT/PVDF的Eb值最低。对BN/PVDF和BT/PVDF复合材料而言，当 BT填料的质量含量为1%， BN填料的质量含量为3 %时，可得到相对较高的Eb值，分别为437和556 kV /mm。当填料的质量含量高于3 %时，所有膜的Eb都下降。然而，与其他复合材料相比，在1至7 %的较宽填料质量含量范围内BT@BN/PVDF具有高的Eb值。以上结果表明，复合材料的Eb值受BT和BN颗粒组合模式的显著影响。通过使用BT@BN复合颗粒作为填料，更容易实现和控制高Eb值。

填料的质量含量为3 %的BT@BN/PVDF复合材料在所有膜中实现了最高的电阻率和最低漏电流（图3b）。结果很好地对应于E b值，并且可以解释填料的质量含量为1至7 %时BT@ BN/PVDF复合材料达到最高Eb值的原因。对于所有的膜，电阻率降低，而漏电流随着外部电场的增加而增加，这归因于电荷的加速运动。通过添加四种类型的填料，复合膜显示出比纯PVDF膜更高的电阻率和更低的漏电流。据其他研究人员报道，这意味着填料具有阻碍电荷运动的功能。

此外，填充BT@BN复合颗粒的复合材料比填充BT、BN和BT、BN二者混合的复合材料获得更高的杨氏模量（图S4，支持信息）。这意味着BT@BN/PVDF复合材料理论上可以承受更高的电场。此结果与之前关于介电材料的击穿场强与机械性能之间的关系的报道一致。

为了更好地理解填充有不同颗粒的复合膜的电击穿机理，模拟了复合材料中的空间电荷密度分布（图3c-e）。在模拟模型中，BT/PVDF和BN/PVDF的介电常数比值分别假设为100和0.5。电压设定为1 V。有趣的是，BT@BN/PVDF复合材料的空间电荷密度远低于填充BN和BT的复合材料，且BT/ PVDF复合材料的空间电荷密度最高。对于BT@BN/PVDF复合材料，BT周围的空间电荷局限于BN内部，且PVDF基体中的空间电荷密度最低（图3c）。BT@BN/PVDF、BN/PVDF和BT/PVDF复合材料中模拟的最大体积电流密度与击穿过程直接相关，分别为1.12E-11,1.16E-11和9.17E-10 A/cm2。因此，与BN/ PVDF和BT/PVDF复合材料相比，BT@BN/PVDF复合材料可以实现更高的Eb值。对于具有随机分布的BT和BN的BN/BT/PVDF复合材料，由于BT和BN颗粒之间的空间电荷的耦合效应而更容易分解。结果，在四种类型的复合材料中BN/BT/PVDF复合材料具有最低的Eb值。

图4.介电特性的频率依赖性。填充不同含量BT@BN复合颗粒的BT@BN/PVDF膜的介电常数（ε）和介电损耗角正切（Tandelta;）随频率的变化曲线。

BT@BN/PVDF复合材料的介电常数随填料含量略有下降（图4）。对于BT@BN复合颗粒填料质量含量为7 %的复合物，1 kHz下的介电常数从纯PVDF的11.8降低到11.3。当填料含量低时，复合材料的介电常数取决于聚合物基质的介电常数和填料的分散状态。当填料均匀地分布在复合材料中时，PVDF分子链和极性基团的运动可以被填料显著限制。同时，粒子的均匀分布将减少空间电荷的积累，导致空间电荷极化减弱。如本研究观察到的，因为填料负荷不高，上述两个原因将导致复合材料的介电常数降低。复合材料的介电常数降低表明杂化颗粒均匀分布在PVDF基质中。复合材料的介电常数随填料质量含量降低直至12 %（图S5，支持信息）。进一步添加填料则会导致介电常数的增加。原因在于填料和界面对复合材料极化的贡献在高填料含量下得到增强。BT@BN/PVDF复合材料的所有介电常数在测量的频率范围内显示出与频率相同的变化趋势。介电常数随频率降低，特别是当频率高于100 kHz时，这是由极化的减少引起的。BT@BN/PVDF复合材料的介电损耗几乎与PVDF的介电损耗相同（tandelta;约为0.027，1 kHz）。对于填充有质量含量为3 %的不同填料的复合材料，介电常数和介电损耗没有明显变化（图S6，支持信息）。结果与预测复合材料有效介电常数的理论模型相吻合。填料在低填料载荷下的介电常数对复合材料的介电常数影响不

全文共7726字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[1426]

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章