高介电低损耗聚合物纳米复合材料的可控制备与性能调控

摘要

具有高介电常数、低介电损耗以及高储能密度的聚合物纳米复合电介质材料在现代电子和电气设备中有广泛的应用前景，研究和开发具有高性能的聚合物纳米复合电介质材料在推动国民经济发展和提升国家防卫能力方面具有极其重要的意义。尽管前人为提升聚合物纳米复合电介质材料的综合性能做出了很多贡献和努力，但依然还有不少问题亟待解决，如纳米填料的分散性问题、纳米填料与聚合物基体之间的界面问题、以及纳米填料的高填充量问题等。为了解决这些问题，本文探索了一系列简单、快速、高效可控的方法，对纳米填料的表面进行功能化改性，通过设计合成不同的界面结构，系统地研究了界面结构对聚合物纳米复合电介质材料性能的影响，并在此基础上，成功地制备了具有优越的介电性能的聚合物纳米复合电介质材料。
　　首先，为了提高纳米颗粒的分散性以及纳米颗粒与聚合物基体的界面相容性，我们分别采用“Grafting from”和“Grafting to”的策略，以钛酸钡（BaTiO3，BT）纳米颗粒为核，通过原位引发的可逆加成断裂链转移（RAFT）聚合和“巯基-乙烯基”（“Thiol-Ene”）点击化学反应，设计合成了一系列具有核-壳结构的Polymer@BT聚合物纳米复合电介质材料。在这一类材料中，绝缘的聚合物壳不仅可以充当隔离层来防止BT纳米颗粒的团聚，而且还可直接充当聚合物基体。纳米填料与聚合物基体之间通过共价键相连，因此聚合物纳米复合材料中的界面结构很紧密。在这个过程中，我们采用FT-IR、1H NMR、TGA、TEM、动态光散射等测试手段对纳米颗粒的表面改性进行了详细表征，证明了核-壳结构的Polymer@BT纳米颗粒的成功制备。并且，还通过调节单体配比或接枝聚合物链的分子量，对聚合物纳米复合材料的组成或接枝密度进行调控，系统地研究了界面结构对聚合物纳米复合材料介电性能的影响。
　　其次，为了进一步提升介电性能，我们开发了一种新的策略，以改善高介电常数的纳米填料（BT）和铁电聚合物基体聚偏氟乙烯-六氟丙烯[P(VDF-HFP)]之间的界面。首先，通过表面引发的RAFT聚合，在BT颗粒表面引发两种类型的氟代丙烯酸酯单体聚合，合成了具有核-壳结构的Fluoro-po lymer@BT纳米颗粒，使颗粒表面的壳层聚合物具有不同的厚度或不同的分子结构。接着，通过溶液共混和热压成型工艺制备了P(VDF-HFP)/Fluoro-polymer@BT纳米复合材料。相应的纳米复合材料的介电性能和能量存储能力分别由宽频介电谱仪和铁电仪进行了测试。结果表明，所制备的纳米复合材料成功地实现了高的储能密度和低的介电损耗。而且，这类P(VDF-HFP)纳米复合材料的介电性能和储能密度可以通过调节 Fluoro-polymer@BT纳米颗粒表面含氟聚合物壳的结构和/或厚度进行调控。
　　第三，为了降低聚合物纳米复合材料的介电损耗，提高其击穿强度和储能密度，我们设计合成了具有草莓状核-壳结构的BT-PDA-Ag纳米颗粒，并以 P(VDF-HFP)聚合物作为基体，通过溶液共混和热压成型工艺制备了聚合物纳米复合电介质材料。利用多巴胺的自聚合特性和还原性，在BT纳米颗粒表面包覆一层聚多巴胺（PDA），并通过原位还原将Ag纳米颗粒嵌入到壳层的PDA聚合物中。利用Ag纳米颗粒的库仑阻塞效应，成功地抑制了聚合物纳米复合材料内部的泄漏电流、降低了介电损耗、提高了击穿强度和储能密度。
　　最后，为了降低填料含量，制备可以应用于小型化、轻量化以及柔韧化电子电气设备的聚合物纳米复合电介质材料，我们开发了一种精确可控和环境友好的方式来制备含氟聚合物功能化改性的石墨烯（PF-PDA-RGO），用于制备柔性的铁电聚合物基纳米复合电介质材料。与未改性的RGO相比，我们所制备的PF-PDA-RGO在P(VDF-HFP)聚合物基体中具有良好的分散性，相应的聚合物纳米复合材料具有紧密的界面结构，以及较低的逾渗阈值(fc=1.06 v％)。因此，我们所制备的P(VDF-HFP)/PF-PDA-RGO纳米复合材料在较低的填料含量时即可显示出较高的介电常数，同时还可以保持相对较低的介电损耗和优良的柔韧性。这为制备高性能的柔性纳米电解质材料提供了一条有效的途径。

目录

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第一章 绪论

1 .1研究背景

1 .2电介质材料的物理基础

1 .3电介质材料的种类

1 .4聚合物纳米复合电介质材料研究进展

1 .5 当前聚合物纳米复合电介质材料研究存在的问题

1 .6 本论文的研究目的和研究内容

第二章 原位引发RAFT聚合方法制备核-壳结构聚合物纳米复合电介质材料及性能研究

2 .1引言

2 .2实验部分

2 .3结果与讨论

2 .4 本章小结

第三章 “Thiol-Ene”点击化学反应制备核-壳结构聚合物纳米复合电介质材料及性能研究

3 .1引言

3 .2实验部分

3 .3结果与讨论

3 .4 本章小结

第四章 高介电低损耗核-壳结构Fluoro-polymer@B T聚合物纳米复合电介质材料的制备及性能研究

4 .1引言

4 .2实验部分

4 .3结果与讨论

4 .4 本章小结

第五章 高介电低损耗草莓状核-壳结构BT-PDA-Ag聚合物纳米复合电介质材料的制备及性能研究

5 .1引言

5 .2实验部分

5 .3结果与讨论

5 .4 本章小结

第六章 含氟聚合物改性石墨烯及其柔性聚合物纳米复合电介质材料的制备与性能研究

6 .1引言

6 .2实验部分

6 .3结果与讨论

6 .4 本章小结

第七章 全文总结

7 .1主要结论

7 .2 主要创新点

参考文献

致谢

博士期间发表的论文

博士期间申请的专利及所获得荣誉