具有高擊穿強(qiáng)度和高介電常數(shù)的介電復(fù)合材料由于在儲(chǔ)能方面的廣泛應(yīng)用受到了極大的關(guān)注。本文以鈦酸鋇（BT）作為陶瓷填料,聚偏氟乙烯（PVDF）或者其共聚物作為聚合物基體,通過改變填料的殼層類型或改變復(fù)合材料的組成,系統(tǒng)地研究了填料的殼層結(jié)構(gòu)、填料的形貌、填料和聚合物基體界面間的連接方式以及聚合物基體的交聯(lián)對(duì)復(fù)合材料介電性能及擊穿性能的影響。（1）研究了殼層聚合物的類型對(duì)復(fù)合材料介電性能和擊穿強(qiáng)度的影響。將巰基封端的聚偏氟乙烯（PVDF-SH）和聚苯乙烯（PS-SH）分別作為殼層材料通過“grafting to”的方法接枝到BT表面制備雜化顆粒,并作為填料制備復(fù)合材料。結(jié)果表明,經(jīng)過聚合物改性的BT與聚合物基體的相容性比未經(jīng)改性的BT更好,而且PVDF殼層要比PS殼層的效果更好。當(dāng)填料的摻雜量為30 vol%時(shí),BT@PVDF/PVDF和BT@PS/PVDF復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度相比于BT/PVDF復(fù)合材料分別提高了101%和88.2%,介電損耗也得到了有效的抑制。（2）將絕緣的二氧化硅（SiO₂）材料作為殼層結(jié)構(gòu),以更加簡單的方法制備了具有核-殼結(jié)構(gòu)的納米雜化顆粒（BT@... 

【文章來源】：濟(jì)南大學(xué)山東省

【文章頁數(shù)】：142 頁

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

電容器的應(yīng)用介電電容器在結(jié)構(gòu)上包括兩個(gè)電極和電極中間的介電層

濟(jì)南大學(xué)博士學(xué)位論文3容器的體積比來表示：==∫0=∫0(1.3)其中：D是介電層的電位移，max是積累電荷引起的最大電場，數(shù)值上等于施加的外部電常對(duì)于具有高介電常數(shù)的電介質(zhì)，D（D=0E）非常接近介電層的極化P。公式1.3也可以寫成：=∫0=∫00(1.4)因此，通過計(jì)算P-E曲線的積分面積，可以得到電容器的能量密度[13]。如圖1.2所示，圖中陰影區(qū)域面積等于可恢復(fù)的能量密度，即為放電過程中能夠釋放的能量密度，斜線區(qū)域等于耗散的能量密度，即為電介質(zhì)的介電損耗。對(duì)于介電常數(shù)與電場無關(guān)的線性電介質(zhì)，公式1.4可表示為：=1202(1.5)可以清楚地看出，制備具有高擊穿強(qiáng)度的電介質(zhì)在實(shí)現(xiàn)高儲(chǔ)能密度方面更有希望。值得注意的是公式1.5只是一個(gè)近似方程式，因?yàn)殡娊橘|(zhì)的介電常數(shù)在高電場下通常表現(xiàn)出非線性行為，即使對(duì)于線性電介質(zhì)也是如此。另外，出于可靠性的原因，所施加的外電場通常低于電介質(zhì)的擊穿強(qiáng)度。圖1.2不同類型電介質(zhì)的電滯回線示意圖：線性電介質(zhì)（a）；鐵電體（b）；弛豫鐵電體（c）；反鐵電體（d）1.2.2電介質(zhì)及極化在外加電場的作用下能夠發(fā)生極化的材料被稱為電介質(zhì)，根據(jù)電介質(zhì)材料的極化強(qiáng)

含氟聚合物/鈦酸鋇介電復(fù)合材料的制備及性能研究6圖1.3電偶極矩的定義（a）；電子極化的起因（b）和（c）；沒有施加外電場的情況下共價(jià)鍵中的價(jià)電子以及施加電場時(shí)共價(jià)鍵中的價(jià)電子相對(duì)于正電荷原子核的移動(dòng)（d）離子極化發(fā)生在離子晶體中，是離子性電介質(zhì)介電常數(shù)的主要貢獻(xiàn)因素。當(dāng)沒有施加電場時(shí)，由于偶極矩整齊排列，所以材料沒有凈極化，如圖1.4a。但是，當(dāng)在沿x方向施加電場E的情況下，負(fù)離子被推向-x方向，正離子被推向+x方向，如圖1.4b所示。因此，在+x方向上的偶極矩p+增加到p"+，而偶極矩p-則減小到p"-，此時(shí)，每個(gè)離子對(duì)的凈偶極矩（平均偶極矩）變?yōu)閜"+-p"-，其大小取決于外加電場的強(qiáng)度。圖1.4沒有施加電場的離子晶體中的離子鏈，每個(gè)離子的平均或凈偶極矩為零（a）；在外電場的作用下離子會(huì)發(fā)生輕微偏移，出現(xiàn)凈偶極矩（b）偶極極化是極性電介質(zhì)材料的典型特征，由于極性分子的自然取向，偶極極化是固有的，或者是由于分子中原子核的不對(duì)稱引起的。當(dāng)不存在電場時(shí)，分子由于熱運(yùn)動(dòng)而隨機(jī)取向，一旦施加了外電場，極性分子就會(huì)傾向于平行電場的方向排列，如圖1.5所示。對(duì)于極性聚合物而言，分子鏈內(nèi)的極性基團(tuán)有助于實(shí)現(xiàn)更高的偶極極化強(qiáng)度，產(chǎn)生更大的介電常數(shù)。而非極性聚合物結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性會(huì)使偶極矩降低，進(jìn)而導(dǎo)致較低的介電常數(shù)。因此通過在聚合物鏈中添加極性側(cè)基是增強(qiáng)偶極極化的有效方法之一。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Polymer nanocomposite dielectrics for electrical energy storage[J]. Yang Shen,Xin Zhang,Ming Li,Yuanhua Lin,Ce-Wen Nan.  National Science Review. 2017(01)
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