二维纳米片增强聚合物基复合材料的结构与性能研究

摘要

作为很有前景的能源转换和存储组件，介电电容器具有成本低、绿色环保，反应速度快，功率密度高等优点。聚合物基介电复合材料作为介电电容器的重要研究对象，因其同时具备聚合物的高击穿强度以及纳米填料的高介电常数而引起了研究人员的广泛关注。本文主要从同时提高复合材料的介电常数和击穿强度作为切入点，来提高复合体系的储能密度。分别采用了有机蒙脱土纳米片（OMMT）和二硫化钼纳米片（MoS2）等二维材料来代替广泛应用的无机纳米粒子，同时考虑到复合介电材料能够应用在更高温度要求的电子元器件中而对聚合物基体作出了不同选择，主要研究内容分为以下三个部分： （1）将负载银纳米颗粒的有机蒙脱土纳米片（Ag-OMMT）与聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）聚合物基体复合来提高其介电性能。介电测试表明，在PVDF-HFP基体中添加少量Ag-OMMT纳米片可以显著提高复合材料介电常数和击穿强度。因此，Ag-OMMT/PVDF-HFP复合薄膜的极化率与纯PVDF-HFP膜相比有了明显的提高。并且Ag-OMMT纳米片组分为4vol.%的复合膜获得了10.51J cm-3的放电能量密度，是纯PVDF-HFP膜的2.66倍。 （2）采用二硫化钼（MoS2）纳米片与聚酰亚胺（PI）基体复合提高复合材料介电性能。介电测试结果表明，随着MoS2纳米片的含量增加，MoS2/PI复合薄膜的介电常数逐渐增加，并且介电损耗仍能够保持在较低水平。击穿场强也随着组分的增加先增大后减少，在1wt.%MoS2/PI复合薄膜达到最大的击穿场强397MV m-1，并且在此组分下储能密度提高到3.35J cm-3。力学性能分析表明，均匀分散的MoS2纳米片具有高强度，在复合材料拉伸过程中能够分担负荷吸收更多的应力，并且能减少聚合物基体分子链的运动，对裂纹的产生有显著抑制作用。因此MoS2/PI薄膜相对于纯PI膜柔韧性和强度都得到了明显提高。 （3）针对二硫化钼（MoS2）纳米片在聚酰亚胺基体中分散性问题，采用原位合成法在MoS2纳米片表面包覆聚多巴胺（PDA）探究复合材料介电性能的改善情况。介电性能测试结果表明，MoS2@PDA/PI复合薄膜随着组分增加介电常数逐渐增加，并且介电损耗仍能够保持在较低水平。击穿场强也得到明显的改善，在1wt.%MoS2@PDA/PI复合薄膜达到最大击穿场强为462MV m-1。而且1wt.%MoS2@PDA/PI复合薄膜的储能密度也提高到4.15J cm-3。力学性能分析表明，通过对MoS2纳米片表面进行PDA包覆促进了与聚酰亚胺基体之间的相容性。少量MoS2@PDA纳米片在基体中分散性较好，可以在纳米片与PI基体之间产生丰富的界面相互作用，MoS2@PDA/PI薄膜相对于纯PI膜柔韧性和强度都得到了明显改善。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2. 电介质材料的概念

1.2.1 介电性能

1.2.2 储能密度

1.2.3 理论模型

1.2.4 介电材料的应用

1.3 聚合物基复合介电材料的性能研究进展

1.3.1 无机陶瓷填料/聚合物复合介电材料

1.3.2 导电填料/聚合物复合介电材料

1.3.3 全有机聚合物复合介电材料

1.4 聚合物基介电复合材料的制备方法

1.4.1 丝网印刷工艺

1.4.2 旋涂工艺

1.4.3 流延工艺

1.5 二维材料在介电领域中的应用

1.6 选题的目的、意义和主要研究内容

1.6.1 选题的目的及意义

1.6.2 主要研究内容

第二章 Ag-OMMT/PVDF-HFP材料的性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂及仪器

2.2.2 实验步骤

2.2.3 测试和表征

2.3 结果与讨论

2.3.1 Ag-OMMT结构分析

2.3.2 Ag-OMMT/PVDF-HFP复合材料微观形貌分析

2.3.3 Ag-OMMT/PVDF-HFP复合材料介电性能研究

2.4 本章小结

第三章 MoS2/PI复合材料的性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验试剂及仪器

3.2.2 实验步骤

3.2.3 测试和表征

3.3 结果与讨论

3.3.1 MoS2纳米片TEM分析

3.3.2 MoS2/PI复合材料XRD分析

3.3.3 MoS2/PI复合材料SEM分析

3.3.4 MoS2/PI复合材料TGA分析

3.3.5 MoS2/PI复合材料介电性能研究

3.3.6 MoS2/PI复合材料力学性能研究

3.4 本章小结

第四章 MoS2@PDA/PI复合材料性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 实验试剂及仪器

4.2.2 实验步骤

4.2.3 测试和表征

4.3 结果与讨论

4.3.1 MoS2@PDA纳米片结构分析

4.3.2 MoS2@PDA/PI复合材料SEM分析

4.3.3 MoS2@PDA/PI复合材料介电性能研究

4.3.3 MoS2@PDA/PI复合材料力学性能研究

4.4 本章小结

第五章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文