有機(jī)薄膜電容器可以在超高電壓、超大電流、超高功率應(yīng)用場景下穩(wěn)定地工作,廣泛應(yīng)用于國防軍事、基礎(chǔ)科研和電力民用的多個(gè)領(lǐng)域,是新概念武器、新能源汽車、可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)元件。但是,目前使用最多的聚丙烯(polypropylene,縮寫為PP)介質(zhì)膜已經(jīng)接近其應(yīng)用極限,難以推動有機(jī)薄膜電容器繼續(xù)朝小型化、輕型化的方向發(fā)展,亟需研發(fā)新型高儲能密度聚合物介質(zhì)膜。本文設(shè)計(jì)并制備了多種不同結(jié)構(gòu)的聚偏氟乙烯(poly(vinylidene fluoride),縮寫為PVDF)基聚合物(復(fù)合)介質(zhì)膜,分別從甄選材料、優(yōu)化溶液流延PVDF基聚合物介質(zhì)膜制備工藝、探索PVDF基共聚物體復(fù)合介質(zhì)膜和設(shè)計(jì)PVDF基共聚物層間復(fù)合介質(zhì)膜等方面進(jìn)行研究,展開了一系列介質(zhì)膜制備、微觀結(jié)構(gòu)表征、介電性能和儲能特性測試等研究工作,并進(jìn)行了相關(guān)機(jī)理分析,主要工作如下。1.系統(tǒng)地研究了PVDF分子量、溶劑種類、溶液濃度、驅(qū)溶溫度以及成膜時(shí)的環(huán)境濕度等工藝參數(shù)對溶液流延PVDF介質(zhì)膜微觀結(jié)構(gòu)和儲能特性的影響。研究發(fā)現(xiàn),這些變量對PVDF介質(zhì)膜的損耗影響不大;除PVDF分子量和溶劑種類外,其他溶液流延工藝參數(shù)對PVDF膜的相對介電常數(shù)影響也不大;但所有這些參數(shù)都會明顯影響PVDF膜的充放電效率和絕緣電阻率。研究結(jié)果表明,采用低分子量PVDF、高蒸汽壓溶劑(DMF)、高溶液濃度(15 wt.%),在低驅(qū)溶溫度(60℃)和低濕度環(huán)境下成膜,獲得的溶液流延PVDF膜的晶型以β相為主,具有更高的充放電效率(1000 kV/cm,~81.77%)和更高的絕緣電阻率(1000 kV/cm,~17.38T??cm),更適合用作有機(jī)薄膜電容器介質(zhì)材料。2.較為系統(tǒng)地研究了溶液流延PVDF基共聚物介質(zhì)膜的微觀結(jié)構(gòu)和儲能特性。PVDF基二元共聚物方面,研究了溶劑種類、溶液濃度以及驅(qū)溶溫度等溶液流延工藝參數(shù)對P(VDF-HFP)介質(zhì)膜微觀結(jié)構(gòu)和儲能特性的影響�？傮w來講,這些參量對P(VDF-HFP)膜的介電頻譜特性影響不大,但對其充放電效率和絕緣電阻率影響較大。研究結(jié)果表明,采用高蒸汽壓溶劑(DMF)、適當(dāng)高的溶液濃度(~20 wt.%),在較低的驅(qū)溶溫度(~80℃)下成膜,獲得的溶液流延P(VDF-HFP)膜的是α相和β相的混合,具有更高的充放電效率和更高的絕緣電阻率,更適合用作有機(jī)薄膜電容器介質(zhì)材料。PVDF基三元共聚物方面,制備了P(VDF-TrFECTFE)和P(VDF-TrFE-CFE)兩種介質(zhì)膜,發(fā)現(xiàn)兩種PVDF基三元共聚物介質(zhì)膜的結(jié)晶度都很高,1 kHz下的相對介電常數(shù)分別高達(dá)20.78和31.74,但介電損耗也相對較高(1 kHz下分別為7.18%和5.74%),兩種介質(zhì)膜的充放電效率隨著外加電場的升高表現(xiàn)出先降后升的趨勢,絕緣電阻率則隨著外加電場的升高而增大。3.系統(tǒng)地研究了PMMA分子量和復(fù)合比例對PVDF基共聚物復(fù)合介質(zhì)膜微觀結(jié)構(gòu)和儲能特性的影響。分子量較大的PMMA摻雜到P(VDF-HFP)或P(VDF-TrFE-CTFE)中,會引起復(fù)合膜的分相,造成擊穿場強(qiáng)的下降;分子量較小的PMMA則有助于提升復(fù)合膜的充放電效率和絕緣電阻率。隨著PMMA復(fù)合比例的升高,PMMA/P(VDF-HFP)復(fù)合膜中α相的含量逐步增加,PMMA/P(VDFTrFE-CTFE)復(fù)合膜的結(jié)晶度逐步降低;復(fù)合膜的相對介電常數(shù)隨PMMA復(fù)合比例的升高而減小,但復(fù)合膜的充放電效率和絕緣電阻率卻隨PMMA復(fù)合比例的升高而增大。相比純的PVDF基二元和三元共聚物介質(zhì)膜而言,復(fù)合膜充放電效率隨外加電場的升高而下降的速率放慢,在高電場下仍能保持較高的充放電效率。復(fù)合比例25/75的PMMA/P(VDF-HFP)膜在1 kHz下的相對介電常數(shù)約為5.21,本征擊穿場強(qiáng)為372.96 V/μm,形狀因子β值高達(dá)10.56,即使是在2000 kV/cm的電場下也仍能保持86.22%的充放電效率,在1000 kV/cm的電場下絕緣電阻率高達(dá)86.1 T??cm。當(dāng)PMMA質(zhì)量比超過一定閾值后,PVDF基三元共聚物復(fù)合膜的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了實(shí)質(zhì)性變化,其相對介電常數(shù)和介電損耗有一個(gè)突然的下降,電滯回線失去弛豫鐵電體的特性,變成了線性電介質(zhì)。4.采用層間復(fù)合的方法制備了多種PVDF基共聚物/PP復(fù)合介質(zhì)膜,并研究了其介電和儲能特性。本文制備了多種不同結(jié)構(gòu)的PVDF基共聚物/PP層間復(fù)合膜,獲得了較高的充放電效率和絕緣電阻率,設(shè)計(jì)并制備了三明治結(jié)構(gòu)的層間復(fù)合介質(zhì)膜,驗(yàn)證了PP在層間復(fù)合膜中的作用。層間復(fù)合結(jié)構(gòu)綜合了兩種介質(zhì)材料的優(yōu)點(diǎn),各層間復(fù)合膜均具備較為優(yōu)異的介電和儲能特性。P(VDF-TrFE-CFE)/PP膜的各項(xiàng)性能均優(yōu)于P(VDF-TrFE-CTFE)/PP膜,隨著P(VDF-TrFE-CFE)層厚度的加厚,層間復(fù)合膜的相對介電常數(shù)、介電損耗、極化強(qiáng)度以及漏導(dǎo)電流均逐步增大,而層間復(fù)合膜的充放電效率和絕緣電阻率則隨P(VDF-TrFE-CFE)層厚度的加厚而減小。三明治結(jié)構(gòu)的層間復(fù)合方法避免了金屬化工藝對PP膜的損傷,提升了復(fù)合介質(zhì)膜的充放電效率。三明治結(jié)構(gòu)的P(VDF-TrFE-CFE)/PP/P(VDFTrFE-CFE)復(fù)合膜在1 kHz下的相對介電常數(shù)和介電損耗分別為5.73和6.02‰,在1000 kV/cm的電場下的充放電效率和絕緣電阻率分別高達(dá)97.45%和367.9T??cm。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB383.2
【部分圖文】：

理，電容器一般可分為靜電電容器（electrostatiytic capacitor）和電化學(xué)電容器（electrochemical量密度按照電化學(xué)電容器、電解電容器和靜電電度卻按照該順序依次遞增[2]，如圖 1-1 所示[3]。

1-2 金屬化聚合物介質(zhì)膜自愈過程示意器介質(zhì)材料用介質(zhì)薄膜經(jīng)歷了電容器紙、紙-膜的聚合物介質(zhì)膜有聚丙烯（polypro（polyester，縮寫為 PET）膜（通fide)，縮寫為 PPS）膜、聚碳酸酯（二醇酯（poly(ethylene naphthalate]。現(xiàn)階段，雙向拉伸聚丙烯（biaxiall擊穿場強(qiáng)高、易于成型、價(jià)格低廉 1-2 幾種常用聚合物介質(zhì)材料的介電性最大工作溫度（℃）擊穿場強(qiáng)（V/um）1 kHz 損正切角（

γ和β相PVDF的分子鏈的構(gòu)象[36]
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2837797