改性钛酸钡/PVDF复合材料的制备与储能性能研究开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

大容量储能技术是当前智能电网建设、新能源发电以及电动汽车发展亟待突破的关键技术。相比蓄电池、超级电容器储能技术,高储能电介质电容器在安全性、经济成本以及充放电速率方面具有无可比拟的优势,广泛应用于柔性直流输电换流阀系统、交直流滤波电路、无功补偿系统以及脉冲功率设备等领域。但是与蓄电池和超级电容器相比,电介质电容器的储能密度相对较低,导致其体积和 质量相对较大,不便于运输、安装以及日常维护。发展新型高储能密度、低损耗、高电气强度、体积小、质量轻以及运行可靠稳定的电介质材料是储能电容器未来突破的难点及发展方向[1]

电容器的储能和综合利用吸引了学术界或工业界的研究人员的关注。介电常数,介电损耗和介电击穿强度是与介电材料介电性能相关的最重要参数,它们决定了介电材料的储能效率和使用性能[2,3]。理想的介电材料同时具有高介电常数,低介电损耗和高介电击穿强度。与陶瓷介电材料相比,聚合物双电材料具有明显的优点,如重量轻,易加工,综合性能好等。然而,大多数聚合物具有相当低的介电常数。将其他介电材料结合到聚合物中是目前已知改善聚合物介电性能的有效策略。通常,含有陶瓷材料的聚合物复合材料,如钛酸钡(batio3[4-8],α-碳化硅(α-sic)和锆钛酸铅(pzt)等有着较高的介电常数和低介电损耗。但值得注意的是,只有在相对较高的填料含量下才能获得高介电常数。毫无疑问,高填料含量不仅会导致加工能力的下降,还会导致复合材料综合机械性能的下降。掺入导电填料,如导电聚合物,碳纳米管(cnts),石墨烯等是相对增强聚合物复合材料介电常数的最有效方法。然而,掺入导电填料的聚合物复合材料的短缺也是非常明显的。由于在电场中出现漏电流,这些介电复合材料通常表现出高介电损耗,尽可能地减少导电填料的含量或防止在复合材料中形成导电网络结构可以将介电损耗抑制在低水平。

近些年来,将两种填料结合到一种聚合物中并在复合材料中构建混合结构以提高介电常数并同时抑制复合材料的二次电损失的方法引起了学者的高度关注。到目前为止,已经提出了两种方法。一种方法是同时将陶瓷填料和导电填料结合到一种聚合物中。在这种情况下,具有绝缘特征的陶瓷填料的存在可防止在整个复合材料中形成导电填料的导电网络结构[9]。guan等人[10],将碳纳米管和batio3引入聚二甲基硅氧烷(pdms)中,他们发现碳原子数为5的碳纳米管与batio3的羟基之间发生了氢键相互作用[11],促进了混合结构的形成,因此,复合材料具有高介电常数和同时具有低介电损耗。

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2. 研究的基本内容与方案

1.主要实验内容有:

1)制备具有核壳结构的bt@ppy颗粒。改变反应时间、单体用量,通过ftir、sem、tem、xrd等表征探究反应条件对化学组成、形貌以及性能等的影响;

2)在单核壳的基础上,通过聚乙烯吡咯烷酮(pvp)或氮化硼(bn)对纳米颗粒进行修饰,以提高其在聚合物中分散性能,抑制漏电电流,减小介电损耗。

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3. 研究计划与安排

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。

4-5周:按照设计方案,制备纳米复合材料

6-10周:采用ftir、xrd、sem、tem、xps等测试表征方法技术对材料的物相、显微结构、元素状态等进行测试。对不同填充量、不同频率、不同温度下的复合薄膜的介电常数、介电损耗、击穿强度等进行研究,探索其性能。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1]dang z m, yuan j k, zha j w, et al. fundamentals, processes and applications of high-permittivity polymer-matrix composites[j]. progress in materials science, 2012(57): 660723.

[2]f. he, s. lau, h.l. chan, j. fan. high dielectric permittivity and low percolation threshold in nanocomposites based on poly(vinylidene fluoride) and exfoliated graphite nanoplates. adv. mater. 2009(21): 710–715.

[3]a. iqbal, s.h. lee, h.m. siddiqi, o.o. park, t. akhter. enhanced dielectric constant, ultralow dielectric loss, and high-strength imide-functionalized graphene oxide/ hyperbranched polyimide nanocomposites[j]. phys. chem. c 2018(122): 6555–6565.

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