片状纳米MoS2和CaTi2O4(OH)2粉体的制备及其在介电复合材料中应用研究
本文围绕常温和高温下聚偏氟乙烯(PVDF)和聚醚酰亚胺(PEI)基介电复合材料的制备和储能密度提高展开研究工作，制备了二硫化钼纳米片(MoS2NSs)和羟基钛酸钙纳米片(CaTi2O4(OH)2NSs)两种粉体，将其作为填料分别制备了MoS2NSs/PVDF、CaTi2O4(OH)2NSs/PVDF和CaTi2O4(OH)2NSs/PEI三种介电复合材料，研究填料添加量对复合材料介电常数、击穿场强和储能密度的影响，并通过有限元法对介电复合材料的内部电场分布进行模拟，目的是得到耐高温高储能的介电复合材料。 通过液相剥离法制备MoS2NSs粉体，其横向尺寸约为200-300nm，厚度约5nm。探究MoS2NSs添加量对MoS2NSs/PVDF室温介电复合材料性能的影响。结果发现，当MoS2NSs添加量为3wt％时，介电复合材料介电常数为10.04，击穿场强达533kV/mm，储能密度为12.67J/cm3，其击穿场强和储能密度比纯PVDF材料分别高出了18％和50％。 以钛酸四丁酯为钛源，无水氯化钙为钙源，在180℃条件下水热36h合成长度约400nm、宽度约200nm且厚度约20nm的片状CaTi2O4(OH)2NSs粉体。研究了CaTi2O4(OH)2NSs添加量对CaTi2O4(OH)2NSs/PVDF复合材料的室温介电性能的影响。结果表明，当添加量为3wt％时，CaTi2O4(OH)2NSs/PVDF介电复合材料介电常数为11.2，击穿场强为568kV/mm，储能密度达到15.53J/cm3，是纯PVDF基体的1.76倍。通过有限元法对CaTi2O4(OH)2NSs/PVDF和MoS2NSs/PVDF内部电场分布进行模拟，结果发现具有较高禁带宽度的CaTi2O4(OH)2NSs能够更加有效的提升复合材料的击穿场强，从而提高储能密度。 分别研究了CaTi2O4(OH)2NSs添加量对CaTi2O4(OH)2NSs/PEI复合材料室温和高温介电性能的影响。当CaTi2O4(OH)2NSs添加量为3wt％时，复合材料的室温击穿场强为623kV/mm，高于纯PEI基体，说明具有片状结构的CaTi2O4(OH)2NSs能够提高PEI基体击穿场强，且CaTi2O4(OH)2上的-OH能够与PEI上的O原子形成氢键，具有提高二者界面相容性的作用，有利于击穿场强提高。当CaTi2O4(OH)2NSs添加量为3wt％时，材料在150℃时的击穿场强达到527kV/mm，储能密度为5.35J/cm3，高出纯PEI基体65％。热分析的结果可以解释材料的热稳定性，CaTi2O4(OH)2/PEI复合材料具有较好的热稳定性。 本文选用的两种片状填料，之所以能提高介电复合材料的击穿场强和储能密度，主要是因为它们具有片状结构，它们在聚合物基体中多呈垂直于电场方向分布，起到电子绝缘屏障作用，使得电子击穿路径更加曲折，达到提高介电复合材料击穿场强和储能密度的效果。
介电复合材料;制备工艺;二硫化钼纳米片;羟基钛酸钙纳米片;击穿场强;储能密度
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
刘晓林
2021
中文
TB341
2021-09-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）