本文關鍵詞：聚偏氟乙烯基復合材料的結構調控與介電性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《武漢理工大學》 2014年

聚偏氟乙烯基復合材料的結構調控與介電性能研究

李海蓉  

【摘要】：滲流型聚合物基復合材料由于兼?zhèn)淞烁呓殡娦阅芎土己玫目杉庸ば远艿搅嗽絹碓蕉嗟年P注，在儲能領域具有廣闊的應用前景。然而，目前高介電常數(shù)、低介電損耗和低填充量三者尚難以同時實現(xiàn)，嚴重影響了聚合物基介電復合材料的實際應用。本論文通過聚合物基復合材料的結構設計，調控材料的介電性能，深入探索復合材料結構與介電性能間的內在關系。本論文研究了導電填料的粒子形貌、表面結構及復合材料界面結構對聚偏氟乙烯基復合材料的介電性能的影響。通過對銀粒子和石墨烯進行表面包覆，改善其與聚合物基體的界面相容性，促進界面極化，提高介電性能。通過復合材料結構設計、界面結構優(yōu)化和導電粒子微觀分布形態(tài)的調控，實現(xiàn)了對聚合物基復合材料介電性能的有效提升。同時針對高集成系統(tǒng)應用的材料熱傳導問題，提出了在提高介電性能的同時改善材料導熱性能的結構模型和具體策略。主要研究內容和結果如下： 1、分別將微米銀粉（m-Ag）和納米銀粉（n-Ag）與聚偏氟乙烯（PVDF）熔融共混，通過熱壓成型方法制備了m-Ag/PVDF和n-Ag/PVDF兩種復合材料。利用粒徑分析和X射線衍射（XRD）對比了兩種銀粒子的結構差異。納米復合體系的單位體積界面面積較微米體系高一個數(shù)量級，而其粒子間距比微米體系低三個數(shù)量級以上。對復合材料進行介電性能測試，研究了界面面積和粒子間距等因素對復合材料介電性能的影響。通過對比發(fā)現(xiàn)，n-Ag/PVDF復合體系較m-Ag/PVDF體系具有更高的介電常數(shù)；在滲流閾值附近，n-Ag/PVDF和m-Ag/PVDF復合材料的介電常數(shù)差距最大，分別為1219和165（100Hz）。在相同填充量時，由于納米銀尺寸更小而比表面積更大，納米復合體系中具有更多的界面，使得納米銀粒子與PVDF基體更好結合的同時提高了界面極化程度。 2、利用多巴胺自聚在銀納米粒子表面包覆了聚多巴胺（PDOPA）絕緣層，制備出了具有核殼結構的Ag@PDOPA納米粒子，再通過溶液共混法將其與PVDF復合，制備了Ag@PDOPA/PVDF復合薄膜。透射電鏡（TEM）、掃描電鏡（SEM）和熱重分析（TG）結果表明聚多巴胺成功地包覆在銀納米粒子的表面，形成了具有核殼結構的納米粒子。對復合薄膜進行介電性能測試發(fā)現(xiàn)，與未包覆的Ag/PVDF復合薄膜相比，Ag@PDOPA/PVDF體系的滲流閾值明顯提高，且在相同填充量時，復合體系具有更低的介電損耗。銀粒子表面的聚多巴胺層結構中大量的羥基、氨基和亞氨基，與PVDF之間形成氫鍵，發(fā)生了極性相互作用，使填料與聚合物基體間有更好的界面結合。 3、采用PVP同時作為Ag納米粒子合成的穩(wěn)定劑和絕緣包覆層，制備了Ag@PVP核殼納米粒子，與PVDF復合后得到的Ag@PVP/PVDF復合材料具有良好的介電性能，在填充量為17vol.%時，復合材料的最高介電常數(shù)為126，達到PVDF基體的10倍以上。在整個頻率范圍內，復合材料的介電損耗保持在較低水平，當頻率高于105Hz時，復合材料的介電損耗甚至低于純PVDF的介電損耗。PVP結構中的酰胺基與PVDF具有較強的相互作用，有助于提高兩者間的界面相容性，從而能有效防止銀粒子的團聚，使Ag@PVP粒子在PVDF基體中獲得更均勻的分散效果，同時，較高的界面結合強度也有利于降低復合材料的介電損耗。此外，兩者間較強的極性相互作用也促進了復合材料的界面極化，最終使得復合材料的介電性能顯著提高。 4、采用簡單的混合、固化、粉碎方法，將Ag微米粒子與乙烯基環(huán)氧樹脂復合，得到以乙烯基環(huán)氧樹脂為殼，銀粒子為核的Ag/EVER復合顆粒，再將其與PVDF基體熱壓復合制備出具有雙重界面結構的Ag/EVER/PVDF三相柔性復合材料。Ag/EVER顆粒以團聚體形式在PVDF基體中呈海島狀分布，團聚體之間被PVDF基體隔開；這種材料結構有利于在銀粒子-乙烯基環(huán)氧樹脂界面和乙烯基環(huán)氧樹脂-PVDF界面產生雙重界面極化，從而提高復合體系的介電性能，使微米Ag體系的介電性能達到納米Ag體系的水平。當銀粒子的體積分數(shù)達到15.3vol.%時，在100Hz條件下，復合材料的介電常數(shù)達到113.1；在整個頻率范圍內，復合材料表現(xiàn)出良好的頻率穩(wěn)定性及較低的介電損耗，100Hz時的損耗角正切值始終低于0.1。銀粒子表面乙烯基環(huán)氧樹脂的交聯(lián)結構有助于降低復合材料的介電損耗，雙重界面結構在一定程度上改變了PVDF的特征介電松弛。 5、以石墨為原料制備了氧化石墨烯（GO），利用PVP對GO進行包覆、還原處理后得到rGO-PVP納米片，采用溶液共混及熱壓處理工藝制備了具有良好柔韌性的rGO-PVP/PVDF復合薄膜。PVP與石墨烯之間主要通過非共價鍵結合，不影響石墨烯的結構完整性。PVP有助于提高rGO與PVDF間的結合強度，從而限制了界面附近PVDF分子的鏈段運動，誘導α晶向β晶的轉變。介電性能測試分析顯示，rGO-PVP/PVDF復合材料的滲流閾值遠高于rGO/PVDF。在滲流閾值附近，rGO-PVP/PVDF復合薄膜的介電常數(shù)達到622，為rGO/PVDF的4.5倍；rGO-PVP/PVDF復合薄膜的介電損耗在整個頻率范圍內都控制在較低水平。PVP包覆的石墨烯與聚合物基體相容性較好，復合材料中rGO-PVP納米片能夠達成有序、伸展的排列方式，具有連續(xù)的平行排列結構，有利于在體系中形成大量的納米電容器結構。PVP的引入顯著改善了復合材料的界面相容性和石墨烯在聚合物基體中的分散性，，使rGO-PVP/PVDF復合體系在具有優(yōu)異介電性能的同時也保持了良好的導熱性能。

【關鍵詞】：
【學位授予單位】：武漢理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TB33
【目錄】：

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本文編號：174456