金属掺杂氧化锌/PVDF复合薄膜的制备与性能研究

摘要

近几十年来，随着电子工业的迅速发展，电子不断向小型化、多样化方向发展，对具有高介电常数、低介电损耗的新型电介质材料的需求不断扩大。高介电材料因其高储能性，已经被广泛应用于大功率高储能的电容器的载体材料以及电缆材料等领域。然而，单一的传统无机陶瓷材料或聚合物材料无法满足市场的需求。因而，研究的焦点集中到了由多种材料复合而成的复合材料上。
　　本文以高介电聚偏氟乙烯(PVDF)聚合物为基体，以水热法制备的铁掺杂氧化锌(Fe-ZnO)，沉淀法制备的铝掺杂氧化锌(Al-ZnO)以及表面改性过的四针状氧化锌晶须(T-ZnOw)为增强体，制备一系列ZnO/PVDF复合薄膜，并对掺杂金属的氧化锌以及复合薄膜的微观结构、晶相转变等进行了测试，对氧化锌/PVDF复合薄膜的热稳定性能、介电性能等进行了测试并计算得到了复合材料的储能密度，探讨了不同氧化锌对复合薄膜微结构及性能的影响。实验结果表明:通过水热法制各的Fe-ZnO的形态为莲花状，其直径在10μm和30μm之间。XRD分析结果表明，Fe-ZnO粒子的晶体结构为六方晶纤锌矿结构，且随着Fe元素掺杂量的增加，ZnO粒子的结晶度逐渐下降。进一步分析表明，Fe-ZnO的引入抑制了PVDF中α相晶型的形成，同时促进了β相晶型的产生。性能测试结果表明，Fe-ZnO能够明显提高复合材料的热稳定性。与纯PVDF膜相比，Fe-ZnO/PVDF复合材料的击穿场强表现出降低的趋势。Fe-ZnO能够在保持较低的介电损耗的同时，明显的提高复合材料的介电常数。Fe-ZnO/PVDF复合材料的介电常数不仅随着Fe-ZnO含量的增加而增加，而且同样随着Fe-ZnO中铁含量的增加而有上升的趋势。通过沉淀法制备的Al-ZnO的微观形貌是棒状和片状，且随着Al掺杂量的增加，棒状的Al-ZnO的含量逐渐减少。EDS分析表明，棒状的Al-ZnO中的Al含量少于片状Al-ZnO。Al-ZnO在PVDF内平行于膜表面均匀分布，呈现一定的取向性。XRD和FTIR的测试结果表明，掺杂Al-ZnO明显改变了PVDF的结晶行为，促进了α相向β相的转变。此外，宽频介电谱测试表明Al-ZnO可以显著提高复合材料的介电常数。随着Al-ZnO掺杂量的增加，Al-ZnO/PVDF复合材料的介电常数明显提高。此外Al的掺杂不仅能有效的提高Al-ZnO/PVDF复合材料的介电常数，而且能够使介电损耗保持在较低的水平。对于T-ZnOw/PVDF复合材料的性能测试结果表明，掺杂的T-ZnOw不仅可以有效地提高材料的耐热性，而且还可以显著提高其电性能，其中电导率和介电常数都有显著的提高。通过掺杂T-ZnOw，PVDF的结晶行为发生了改变，其中β相晶体增加。复合材料的电导率随着T-ZnOw掺杂量的增加具有明显的增加趋势，其击穿场强则有明显的下降趋势。T-ZnOw在材料中形成了大量的两相界面，这显著增强了材料的介电常数。复合材料的介电常数随着T-ZnOw掺杂量的增加而有明显的提高。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 PVDF材料概述

1．2．1 聚偏氟乙烯结构

1．2．2 聚偏氟乙烯的性能

1．2．3 PVDF的应用及研究现状

1．3 氧化锌简介

1．3．1 氧化锌的性能

1．3．2 金属掺杂氧化锌的研究现状

1．4 高介电电介质理论简介

1．4．1 高介电电介质理论

1．4．2 极化机理

1．5 课题来源及研究内容

1．5．1 课题来源

1．5．2 研究内容

第2章 实验部分

2．1 实验原料及设备

2．1．1 实验原料

2．1．2 实验设备

2．2 金属掺杂氧化锌的制备

2．2．1 铁掺杂氧化锌的制备

2．2．2 铝掺杂氧化锌的制备

2．2．3 四针状氧化锌晶须的表面改性

2．3 PVDF复合材料的制备

2．4 性能表征和测试方法

2．4．1 扫描电子显微镜(SEM)测试

2．4．2 透射电子显微镜(TEM)测试

2．4．3 X射线衍射(XRD)测试

2．4．4 红外光谱(FT-IR)测试

2．4．5 热稳定性(TGA)性能测试

2．4．6 击穿场强性能测试

2．4．7 宽频介电谱测试

2．4．8 储能密度的计算

2．5 本章小结

第3章 Fe-ZnO／PVDF复合材料的结构与性能研究

3．1 铁掺杂氯化锌及复合材料的微观结构分析

3．2 PVDF复合薄膜的微观结构分析

3．3 X射线衍射(XRD)分析

3．4 红外光谱(FT-IR)分析

3．5 热失重(TGA)分析

3．6 电性能分析

3．7 本章小结

第4章 Al-ZnO／PVDF复合材料的结构与性能研究

4．1 铝掺杂氧化锌微观结构分析

4．2 PVDF复合薄膜的微观结构分析

4．3 X射线衍射(XRD)分析

4．4 红外光谱(FT-IR)分析

4．5 热失重(TGA)分析

4．6 电性能分析

4．7 本章小结

第5章 T-ZnOw／PVDF复合材料的结构与性能研究

5．1 四针状氧化锌的微观结构分析

5．2 PVDF复合薄膜的微观结构分析

5．3 X射线衍射(XRD)分析

5．4 红外光谱(FT-IR)分析

5．5 热失重(TGA)分析

5．6 电性能分析

5．7 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢