【摘要】：電容器是用于儲能、濾波、管理和控制電荷的關(guān)鍵電子部件,較好的介質(zhì)電容材料應具備以下幾點性能:擊穿電場高、損耗低、重量輕、充放電速度快、成本低廉,但是目前應用的薄膜電容器存在介電常數(shù)低、儲能密度低等問題,制備高儲能密度的介質(zhì)電容器迫在眉睫。聚偏氟乙烯及其共聚物被證實具有最高的介電常數(shù)和能量密度,是一類典型的鐵電聚合物材料。近年來,新型的層疊式結(jié)構(gòu)如雙層結(jié)構(gòu)、三明治結(jié)構(gòu)等由于其特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計能更好的發(fā)揮不同材料的優(yōu)勢,因此在電容器領(lǐng)域被寄予厚望。本文選取具有優(yōu)良物理、化學性能的聚偏氟乙烯(poly(vinylidene fluoride),縮寫為PVDF)基聚合物為基底材料,通過摻雜陶瓷顆粒制備了復合薄膜。然后對薄膜的結(jié)構(gòu)進行改進制備了三明治結(jié)構(gòu)介質(zhì)電容,進一步提高了介電薄膜的儲能性能。主要內(nèi)容如下:(1)本文系統(tǒng)地研究了聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物(poly(vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene),縮寫為P(VDF-CTFE))、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(poly(vinylidene fluoride-hexafluoropropylene),縮寫為P(VDF-HFP))、聚偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯(poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene chlorotrifluoroethylene),縮寫為P(VDF-TrFE-CTFE))介質(zhì)膜的微觀結(jié)構(gòu)和儲能特性。研究發(fā)現(xiàn),P(VDF-TrFE-CTFE)在低電場頻率下的介電常數(shù)最高,介電常數(shù)隨著電場頻率增加下降最為明顯,損耗隨頻率的升高也快速升高。另外,對于P(VDF-CTFE),相比低濃度溶液結(jié)晶的聚合物膜,高濃度溶液結(jié)晶的聚合物膜具有更高的充放電效率、介電常數(shù)和擊穿場強,更適合在介質(zhì)電容器中應用。為了研究晶相結(jié)構(gòu)對介質(zhì)薄膜性能的影響,實驗制備了60°C驅(qū)溶、200°C高溫退火的兩種P(VDF-CTFE)薄膜,實驗證明,高溫退火-冰水淬火工藝促進了介質(zhì)薄膜β相到α相的轉(zhuǎn)變。(2)為了結(jié)合陶瓷材料高介電常數(shù)和聚合物材料高擊穿場強的優(yōu)勢,本文以P(VDF-CTFE)聚合物為基體,制備了不同鈦酸鋇(BaTiO_3)含量的復合薄膜。實驗發(fā)現(xiàn),隨著鈦酸鋇含量的升高,復合薄膜的介電常數(shù)逐漸升高,當鈦酸鋇含量為40wt.%時介電常數(shù)達到了22.45,比P(VDF-CTFE)聚合物提高了約兩倍。同時,陶瓷填料的摻雜給復合薄膜引入了缺陷,陶瓷顆粒與聚合物材料較差的界面相容性使得復合薄膜的擊穿場強較低。針對上述問題,本文采用多巴胺對鈦酸鋇表面進行改性,實驗測試分析表明,經(jīng)過表面改性過的鈦酸鋇復合薄膜的介電性能得到了很好的提升。(3)為了進一步提高介質(zhì)電容的儲能密度,從立體結(jié)構(gòu)入手設(shè)計并研究了層疊式結(jié)構(gòu)對薄膜介電性能的影響。選取具有優(yōu)異介電性能的P(VDF-CTFE)膜為基體材料,采用具有高介電常數(shù)的BaTiO_3納米顆粒為填充材料,通過熱壓工藝和流延工藝制備了兩種不同結(jié)構(gòu)層疊式三明治介質(zhì)薄膜,并對比了兩種工藝的優(yōu)劣。研究發(fā)現(xiàn)流延法制備的三明治結(jié)構(gòu)較單層膜具有更優(yōu)異的介電性能,層疊式介質(zhì)電容的擊穿場強較單層復合薄膜提升了30%左右,充放電效率高于83%。
【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】：TM53
【圖文】：

介質(zhì)電容器基本結(jié)構(gòu)示意圖

電介質(zhì)極化示意圖

PVDF分子式

【參考文獻】

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