【摘要】：具有高能量密度和低損耗的儲能介質電容器在現(xiàn)代電子設備、電力系統(tǒng)和國防武器裝備等各方面的應用極為廣泛。介質材料作為電容器的關鍵材料,對高性能介質材料的制備與研究具有深遠的意義。與陶瓷電介質電容器相比,聚合物薄膜電容器備受關注,因為它們不僅價格低廉,而且具有高擊穿強度和高能量密度。在線性聚合物介電材料中,帶有極性基團的聚合物具有更大的偶極矩,往往損耗比較小且擊穿強度比較高,而線性高分子材料的充放電效率優(yōu)于其他聚合物材料,因此帶有極性基團線性高分子介質材料具有更高的擊穿強度,更高的充放電效率和更低的介電損耗。本論文選取具有極性基團的線性高分子介質材料聚酰亞胺,聚脲和聚硫脲作為主要的研究對象。主要研究的內容和結論如下:(1)運用功能密度泛函(DFT)對聚酰亞胺(PI)、聚脲(PU)和聚硫脲(PTU)三種線性高分子介質材料的介電性能進行計算。由于介電常數(shù)和禁帶寬度可以確定介質材料的介電性能,傅里葉變換紅外光譜(FTIR)和X射線衍射(XRD)可以分析介質材料的分子模型和晶體結構,因此計算的數(shù)據(jù)為三種介質材料的介電常數(shù)、禁帶寬度、FTIR和XRD。結果表明,PI的介電常數(shù)為4.5、禁帶寬度為3.621eV、FTIR在1252 cm~(-1)處有酰亞胺環(huán)(-CO-NH-CO-)的特征峰;PU的介電常數(shù)為5.2、禁帶寬度為3.236 eV、FTIR在1496 cm~(-1)處有脲基團(-HN-CO-NH-)的特征峰;PTU的介電常數(shù)為5.7、禁帶寬度為2.647、FTIR在1270 cm~(-1)處有硫脲基團(-HN-CS-NH-)的特征峰;三種介質材料的XRD都無明顯峰值說明PI、PU和PTU都是無定形態(tài)。(2)采用加聚反應的方法合成了聚脲及聚硫脲介電材料,采用流延方法制備介電薄膜,研究了薄膜材料的介電特性。結果表明,合成的聚脲介電常數(shù)為3.5、擊穿場強為5120 kV/cm、儲能密度為4.06 J/cc,聚硫脲的介電常數(shù)為5.508、擊穿場強為5920 kV/cm、儲能密度為8.54 J/cc。兩種線性高分子介質材料的儲能密度遠高于目前商業(yè)化的雙向拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜的能量密度(≈2.2 J/cc)。進一步研究表明,兩種材料介電性能與(DFT)模擬計算結果相接近,表明分子結構設計的正確性,為高性能線性介質聚合物材料設計提供了實驗依據(jù)。(3)為了進一步提升材料的介電常數(shù),并改善聚硫脲材料的成膜特性,采用磁力攪拌與超聲分散兩種物理復合的方式制備了偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯P(VDF-TrFE-CFE)/聚硫脲復合介電材料。介電特性研究表明,復合材料介電常數(shù)為37.74,擊穿場強達到4000 kV/cm,損耗為0.0362。P(VDF-TrFE-CFE)與聚硫脲之間的良好協(xié)同效應使得該種復合介質材料的儲能密度達到25.79 J/cc,其儲能密度是BOPP薄膜儲能密度的11.7倍,因此兩種介質材料有效的復合為新型聚合物介電材料制備提供了新方向。
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.2;TQ317;TM53
【圖文】：

對于非線性電介質其儲能密度為介電常數(shù)和擊穿場強在電位移下的： = ∫ 0（1-1）對于線性電介質其儲能密度與介電常數(shù)和電場的平方成正比： =12 2（1-2） 為電介質儲能密度， 為相對介電常數(shù)在本文簡稱介電常數(shù)， 為真空介數(shù) 8.85×10-12F/m，E 為擊穿場強， 為最大外加電場對應的電位移。因此須通過設計具有高容性能量密度的新型介電材料來提高其介電性能[1-4]。為了量密度最大化，材料的電介質應具有高介電常數(shù)（ ），高擊穿強度（E）和充電循環(huán)期間的低損耗。目前最先進的介電材料是聚合物電介質材料，薄膜制備成熟且應用最廣的是雙向拉伸聚丙烯（BOPP）[5-9]，其具有 7300 kV/cm 的擊度和低介電損耗（1kHz 時 tan ≈0.0002）。但 BOPP 的工作環(huán)境有限，當溫度 85℃時介電常數(shù)降低（ ≈2.2）擊穿強度下降同時循環(huán)壽命降低[10,11]。在民用用的迫切需求下，需要盡快的探索出一種高介電性能的材料。

電子科技大學碩士學位論文低許多數(shù)量級，這解釋了傳導電流的強烈抑制。Ishino 等人的實驗觀察結果也支了這一機制，該理論表明，具有高極性基團的線性高分子聚硫脲比其他不含極性團的聚合物有著更高的擊穿強度和更低的高場傳導損耗。在本文中，研究了聚硫這種新型介電聚合物，因為這是一種極性聚合物，所以能夠在高電場（1×104kV/cm環(huán)境中正常工作并維持著低的介電損耗（＜0.01），其能量密度（＞20J/cc）是 BOP能量密度的 10 倍。1.2.4 線性高分子介質材料發(fā)展電容器的發(fā)展是曲折而又慢長的，如圖 1-2 為電容器的發(fā)展史[28]。最初本明·富蘭克林（Benjamin Franklin）認為萊頓罐中的水對儲能不是理想的，在 17 紀 50 年代早期富蘭克林發(fā)明了金屬箔-玻璃電容器。Pollak 發(fā)明了電解電容器并1887 年提交了關于電解電容器的專利，這篇專利對電解電容器進行了全面的描述Mansbridge 發(fā)明了“自清除”電容器（即電介質擊穿之后恢復電容性能），并在 19年提交了相關專利。

第一章 緒論（PS）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚碳酸酯以及雙軸取向聚丙烯（BOPP）等材料，目前 BOPP 作為主導高能量密度料。在電子市場（無線電）大眾化之后，電容器的研究以尋求具有更高能更低成本的技術為目的，這項工作目前仍在繼續(xù)，而且最近已經(jīng)將電容器度列為重要的研究參數(shù)。得到高穩(wěn)定性能及高能密度的聚合物薄膜應用以應用在混合動力汽車（HEV）、電子設備、變速驅動器以及其它形式的系統(tǒng)。

【參考文獻】

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1 顧逸韜;劉宏波;馬海華;童苑馨;;電介質儲能材料研究進展[J];絕緣材料;2015年11期

本文編號：2772551