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陶瓷/聚合物纳米复合电介质材料中梯度结构的构建与性能研究开题报告

 2020-02-10 10:02  

1. 研究目的与意义(文献综述)

电容器的工业应用主要集中在三个方面:无源电子元件、逆变器以及高功率系统,它被誉为电子工业的血液。随着电子工业的飞速发展,电力电子设备对具有较高储能能力的介电容器的要求越来越高,目前国内外已经有很多关于各种介电材料介电常数和介电击穿特性的研究。[1-4]然而,目前介电材料的一些显著局限性可以归结为它们的介电常数低、击穿强度低、介电损耗高,这将降低其能量密度和效率。[5]

电介质材料的能量密度主要由介电常数以及击穿场强来共同决定,获得同时提升的介电常数与击穿场强对获得高的储能密度至关重要。目前常用的电介质材料包括陶瓷和聚合物,传统的高介电陶瓷,如batio3 等具有很高的介电常数,但击穿场强过低,高温烧结工艺复杂。聚合物电介质具有易于加工、柔性好、重量轻等优点,但是介电常数较低。[6]显然,单一的介电材料已经无法满足现代化电子产品的复杂要求,能够兼具两种材料特点的复合材料则能广泛应用于嵌入式电容器,传感器,换能器等多个领域。[7]因此对有机/无机复合介电材料的研究具有非常重要的意义。目前国内外对高储能密度的复合介电材料的研究以制备工艺、基体体系、添加物种类及其含量、结构调控、以及微米/纳米等因素对复合电介质材料介电性能的影响为主。[8]

将无机颗粒填充到聚合物中制备复合电介质材料,利用各组分材料的优势可以制备出新型的具有优良性能的介电复合材料,在复合材料中利用复合效应,能够在维持聚合物基体的高击穿场强以及优良柔性、有机相容性的同时,通过无机填料的引入来大幅提升介电常数,以此获得较高的储能密度。

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2. 研究的基本内容与方案

基本内容:本课题拟以p(vdf-hfp)为基体,制备不同层数和不同batio3体积含量的p(vdf-hfp)/ batio3纳米颗粒复合薄膜材料,构建不同陶瓷纳米填料的梯度分布结构。构建陶瓷纳米填料平均体积分数分别为5%、10%和20%的不同梯度的复合薄膜材料,经过各种工艺的工艺参数的优化后,比较最优工艺参数下不同陶瓷纳米填料体积含量和梯度分布的介电常数和击穿场强,比较其储能密度,得到性能最优良的梯度结构。

目标:构建陶瓷纳米填料的梯度分布结构,来获得优异的介电性能和储能性能;同时对复合材料内部相关介电增强物理机制进行解析。

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3. 研究计划与安排

第1-5周:查阅相关文献资料。明确研究内容,了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案,并完成开题报告;

第6-8周:制备具有梯度结构的聚合物纳米复合电介质薄膜

第9-11周:完成聚合纳米复合薄膜材料的介电与储能性能测试,进行英文论文翻译;

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] zhang, x., li, b. w., dong, l. j., liu, h.x., chen, w., shen, y., nan, c. w.*, superior energy storage performances ofpolymer nanocomposites via modification of filler/polymer interfaces, advancedmaterials interfaces, 2018, 5, 1800096.

[2] zhang, x., jiang, j. y., shen, z. h., dan,z. k., li, m., lin, y. h., nan, c. w., chen, l. q., shen, y., polymer nanocompositeswith ultrahigh energy density and high discharge efficiency by modulating theirnanostructures in three dimensions, advanced materials, 2018, 30,1707269.

[3] zhang, x., shen, y., xu, b., zhang, q., gu,l., jiang, j., nan, c. w.*, giant energy density and improved dischargeefficiency of solution-processed polymer nanocomposites for dielectric energystorage, advanced materials, 2016, 28, 2055-2061.

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