能量存儲(chǔ)器件在現(xiàn)代電子科技迅速發(fā)展中具有重要的地位,尤其是在脈沖電源裝置、混合動(dòng)力系統(tǒng)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異,對(duì)材料儲(chǔ)能特性的要求不斷提高。因此具有高能量存儲(chǔ)的材料特別是聚合物基柔性材料引起了更多科研工作者們的關(guān)注。本文以聚偏氟乙烯(PVDF)作為基體材料,通過高儲(chǔ)能導(dǎo)向無機(jī)納米填充相的引入及復(fù)合介質(zhì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),給出一種提高聚合物基復(fù)合介質(zhì)儲(chǔ)能密度的研究方案。在全有機(jī)介質(zhì)的研究中,借助淬火工藝對(duì)聚偏氟乙烯和聚(偏氟乙烯-三氟乙烯-氯二氟乙烯)(P(VDF-Tr FE-CFE))晶型進(jìn)行優(yōu)化處理,制備了以γ相為主的PVDF薄膜/P(VDF-Tr FE-CFE)薄膜/PVDF薄膜的三明治全有機(jī)介質(zhì)。在此基礎(chǔ)上,將中間層調(diào)整為P(VDF-Tr FE-CFE)纖維膜的三明治全有機(jī)介質(zhì),得到性能更加優(yōu)異的PVDF薄膜/P(VDF-Tr FE-CFE)纖維膜/PVDF薄膜。結(jié)果表明,淬火后全有機(jī)介質(zhì)的介電及儲(chǔ)能特性得到了改善;P(VDF-Tr FECFE)纖維為中間層時(shí)不僅阻礙了電樹枝的擴(kuò)展,而且明顯增強(qiáng)了全有機(jī)介質(zhì)的極化強(qiáng)度,因此全有機(jī)介質(zhì)具有較高的介電常數(shù)、擊穿場(chǎng)強(qiáng)和優(yōu)異儲(chǔ)能特性。對(duì)于無機(jī)納米填充相/聚偏氟乙烯復(fù)合介質(zhì)而言,高儲(chǔ)能無機(jī)納米填充相的選擇對(duì)其性能有巨大影響,因此選取恰當(dāng)?shù)臒o機(jī)填充相對(duì)復(fù)合介質(zhì)的性能提升有著重要的意義。本文選取幾種典型陶瓷顆粒及納米纖維作為填充相,制備得到了聚偏氟乙烯基復(fù)合介質(zhì),系統(tǒng)研究了填充相種類及尺寸因子對(duì)復(fù)合介質(zhì)性能的影響。探究發(fā)現(xiàn),相比于鈦酸銅鈣陶瓷顆粒,鈦酸銅鈣顆粒表面生長(zhǎng)四氧化三鐵復(fù)合顆粒大幅度提高了聚偏氟乙烯基復(fù)合介質(zhì)的介電常數(shù),但由于四氧化三鐵的引入造成復(fù)合介質(zhì)的損耗增大、擊穿強(qiáng)度下降,從而無法得到更優(yōu)的儲(chǔ)能特性。納米纖維因其具有大長(zhǎng)徑比的優(yōu)點(diǎn),成為高導(dǎo)向高儲(chǔ)能無機(jī)填充相的理想材料。通過靜電紡絲技術(shù),在制備得到三種典型納米纖維填充相(二氧化鈦、鈦酸銅鈣和鋯鈦酸鋇鈣納米纖維)的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)研究了納米纖維對(duì)聚偏氟乙烯基復(fù)合介質(zhì)介電特性的影響。研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于鈦酸銅鈣/聚偏氟乙烯復(fù)合介質(zhì)來說,當(dāng)外加電場(chǎng)較小時(shí),其儲(chǔ)能密度提升明顯,但由于鈦酸銅鈣與聚偏氟乙烯基體間的介電差異較大造成復(fù)合介質(zhì)內(nèi)部電場(chǎng)嚴(yán)重畸變,最終致使其擊穿場(chǎng)強(qiáng)降低;而二氧化鈦納米纖維雖然與聚偏氟乙烯基體介電差異較小,但由于填充相較小的介電常數(shù)使得復(fù)合介質(zhì)的儲(chǔ)能特性提高有限。與以上無機(jī)填充相相比,處于準(zhǔn)同相界區(qū)域的鋯鈦酸鋇鈣納米纖維因具有適中的介電常數(shù)及較低的電導(dǎo)率,可以作為高儲(chǔ)能導(dǎo)向無機(jī)填充相的理想材料。研究發(fā)現(xiàn),在外加電場(chǎng)250 k V/mm時(shí),鋯鈦酸鋇鈣/聚偏氟乙烯復(fù)合介質(zhì)表現(xiàn)出良好的儲(chǔ)能特性。在取得以上成果的同時(shí),本文系統(tǒng)研究了不同體積分?jǐn)?shù)鋯鈦酸鋇鈣納米纖維對(duì)聚偏氟乙烯基復(fù)合介質(zhì)的性能影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)鋯鈦酸鋇鈣納米纖維的填充量為7 vol.%時(shí),復(fù)合介質(zhì)具有較大的介電常數(shù)(100 Hz時(shí),ε~17.6);而當(dāng)鋯鈦酸鋇鈣納米纖維的填充量為3 vol.%時(shí),復(fù)合介質(zhì)具有較好的儲(chǔ)能特性(Ue~7.9 J/cm3,η≥58.3%);在此基礎(chǔ)上,出于優(yōu)化電場(chǎng)分布、提高擊穿場(chǎng)強(qiáng)的考慮,設(shè)計(jì)和制備了聚偏氟乙烯/鋯鈦酸鋇鈣-聚偏氟乙烯/聚偏氟乙烯基三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合介質(zhì);研究發(fā)現(xiàn),中間層納米纖維的引入阻礙了電樹枝在層間的擴(kuò)展,從而降低擊穿概率�；诖�,根據(jù)導(dǎo)電-陶瓷復(fù)合顆粒增強(qiáng)復(fù)合介質(zhì)極化特性的思路,通過對(duì)一系列工藝優(yōu)化,制備得到外部生長(zhǎng)鐵酸鈷粒子的鋯鈦酸鋇鈣(CFO@BZT-BCT)復(fù)合納米纖維;且鐵酸鈷其具有一定的導(dǎo)電性,可以向復(fù)合介質(zhì)內(nèi)注入少量的電子,增加偶極子的數(shù)量,進(jìn)而增大極化強(qiáng)度。因此,文中將三明治結(jié)構(gòu)的中間層無機(jī)填充相調(diào)整為CFO@BZT-BCT復(fù)合纖維,研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)CFO@BZT-BCT納米纖維填充量為5 vol.%時(shí),三明治結(jié)構(gòu)會(huì)使復(fù)合介質(zhì)內(nèi)部的電場(chǎng)重新分布,復(fù)合介質(zhì)此時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的介電特性(100 Hz時(shí),ε~20.1,tanδ≤0.023;350 k V/mm時(shí),Ue~11.3 J/cm3,η≥55.5%)。
【學(xué)位單位】：哈爾濱理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TB34
【部分圖文】：

圖 1-1 外場(chǎng)下填充相形成內(nèi)部缺陷束縛電荷和形成導(dǎo)電通道示意圖[69].1-1 Schematic diagram of the formation of the internal defect bound charge and tconductive channel induced by fillers under an applied electric field[69]電樹枝形成的原因眾多，但起作用的主要有兩個(gè)，第一在聚合物基介場(chǎng)下時(shí)，電介質(zhì)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的熱，這些熱量會(huì)導(dǎo)致電介質(zhì)內(nèi)部形

圖 1-2 靜電電容器的能量密度及功率密度[84] Energy density and power density of the electrostatic capa 所示，靜電電容器在工作時(shí)，功率密度高，不涉，承受的電場(chǎng)較大，并且其產(chǎn)生的能量損耗較小電容器相比，靜電電容器具有明顯的優(yōu)勢(shì)[15,84-86

電位移(D)和放電能量密度(U，著色面積)的示意圖。電能量密度，三角形區(qū)域（藍(lán)色+綠色）為線性電介質(zhì)atic diagram of electric field (E), electric displacement (Dty (U). The green region is the discharge energy density o the triangular region (blue + green) is the discharge ener
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2869905