三明治结构纤维素/钛酸钡高介电储能复合膜的制备与性能开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

高性能、易加工、轻量化、低成本材料的开发一直是电能存储与转换技术发展的核心。高介电复合材料,通常由具有高介电常数的无机填料和具有高击穿强度(eb)的聚合物基体所组成,可通过静电形式以储存能量,在嵌入式电容器、晶体管和高储能器件等电子电气和介电储能方面具有重要的价值[1]。然而, 常见的高聚物如聚碳酸酯(pc),聚醚砜 (ps),具有高介电常数的聚偏氟乙烯基聚合物,bcb和具有良好的热稳定性的聚酰亚胺(pi)和商用bopp等都是不可生物降解或不可再生的石油所衍生的合成聚合物,它们的累积给环境带来很大的负担。随着石油、矿石等不可再生资源的逐渐消耗和生态环境的日益恶化,人类迫切需要寻找一种绿色可持续的能源转化和储存技术。此外,储能器件中常用的聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)等隔膜材料现阶段主要依赖进口,且存在与溶剂相容性差、不耐高温等不足,直接影响储能器件的循环和安全性能[2]。随着科技的迅速发展,人们对储能器件日益增长的需求与储能器件性能不佳、不可天然降解的矛盾日益突出,在储能器件快速更新换代过程中,产生了大量化学废弃物,对环境和人类健康造成了严重危害。高能量密度、高击穿强度的柔性环保介质材料在储能器件中有着广阔的应用前景,因此,开发性能优异的绿色储能材料和器件具有重要意义。

纳米纤维素作为一种新型绿色纳米材料,近年来在储能领域受到了广泛关注[3-4]。纳米纤维素是一种可生物降解的新型材料, 其特征在于纳米范围内的纤维尺寸[5]。除了储量丰富、循环可再生的天然优势外,纳米纤维素还具有精细的纳米结构、很高的机械强度 (2-3gpa)和较低的热膨胀系数,良好的的柔韧性, 优异的的热学性能 (tdgt;200℃, cte为0.1 ppm k-1) 等等优点。同时, 大量的研究表明, 纳米纤维素是一种良好的分散介质[6],其可以在一定程度上解决填料在聚合物基体中容易聚集的问题。近年来, 许多高介电纳米纤维素基复合材料被报道出来, 如ag nws/nfcs纳米纸(k=726.51.1ghz, 2.48% (体积) ag nws), ngo/nfcs纳米纸 (k=46在1mhz, 3% (质量) ngo)[7]和cnts/nfcs纳米纸等。纤维素材料在介电储能领域具有广泛前景。

具有高击穿强度,低介电损耗的聚合物是高能量密度电容器的首选介电材料,但其介电常数较小。受到其较低的相对介电常数的限制,最先进的聚合物电介质提供的能量密度也相对较低。通常,高分子材料添加以高介电常数无机材料或导电材料来提高储能性能和热稳定性,如氧化钛(to),钛酸钡(bt),钛酸锶钡(bst)等,引入聚合物基体制备介电聚合物复合材料。传统的无机压电陶瓷材料具有高介电常数和高热稳定性,钛酸钡是最常见的铁电体陶瓷之一。在压电陶瓷中,bt纳米粒子以其压电系数高、介电常数高、无铅、成本低、易加工等优点而备受关注。在以往的研究中,bt纳米粒子已经与基聚合物结合在一起,并被用于制备高性能的压电材料。钛酸钡的化学稳定好、绝缘性好和介电常数高,常被用来制备高介电复合材料。

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2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

材料制备:利用新型纤维素绿色溶剂naoh/尿素水溶液溶解纤维素,并与钛酸钡复合构建纤维素/钛酸钡复合膜,再将不同钛酸钡含量的单层膜复合,以获得具有柔韧、高力学和热学性能的三明治结构高介电性纤维素复合膜材料

材料表征: 采用sem、ftir、tg、拉伸测试、介电仪等测试技术对复合材料的形貌、结构与性能进行表征。

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3. 研究计划与安排

第1-3周:查阅相关文献资料,完成英文翻译。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4-8周:按照设计方案,制备三明治结构纤维素/钛酸钡复合材料。

第9-12周:采用sem、ftir、tg、拉伸测试、介电仪等测试技术对复合材料的形貌、结构与性能进行表征。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] qi li,guangzu zhang.solution-processed ferroelectric terpolymer nanocomposites with high breakdown strength and energy density utilizing boron nitride nanosheets[j].energy environ. sci., 2015, 8: 922–931.

[2] jiaping lao,haian xie.flexible regenerated cellulose/boron nitride nanosheet hightemperature dielectric nanocomposite films with high energy density and breakdown strength[j].sustainable chem. eng. 2018, 6:7151#8722;7158.

[3]吕少一, 傅峰, 王思群等. 纳米纤维素基导电复合材料研究进展[j]. 林业科学, 2015, 51(10):117-125.

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