片状镁铝水滑石制备及其在介电复合材料中应用研究
论文围绕有机无机介电复合材料的室温和高温应用需求，开展相关实验和理论模拟研究。以片状镁铝水滑石(MgAl LDH)无机粉体的制备和复合材料相界面设计为出发点，首先系统考察以聚偏氟乙烯(PVDF)作为基体的MgAl LDH/PVDF和Ni-MgAl LDH/PVDF两种介电复合材料的室温储能密度及充放电性能;进一步拓展研究以聚醚酰亚胺(PEI)作为基体的MgAl LDH/PEI介电复合材料体系的高温介电性能;最后，借助有限元方法对MgAl LDH/PVDF复合材料体系介电性能提高机理进行模拟与分析。 采用水热法制备片状MgAl LDH粉体，发现当水热温度从100℃升高到140℃时，粉体的横向尺寸逐渐增大，分别约为90nm、150nm和200nm，继续升温，所得颗粒尺寸基本保持不变;测得形成的三种MgAl LDH/PVDF复合材料的室温击穿场强随颗粒横向尺寸增加逐渐升高;系统研究200nm MgAl LDH的添加量对复合材料室温介电性能的影响，结果表明，添加0.6wt％时，材料击穿场强和储能密度分别达到573kV/mm和13.6J/cm3，比纯PVDF提高15％和34.7％。储能密度的提高，一方面归因于MgAl LDH粉体具有的片状形貌、良好的绝缘性和中等大小的介电常数，另外，其超低的添加量导致材料内部产生的缺陷较少，有利于降低损耗提高击穿场强。 基于使两相界面产生导电性差异的设计思想，采用浸渍还原法制备负载Ni纳米颗粒的MgAl LDH粉体(Ni-MgAl LDH)，研究Ni-MgAl LDH添加量对PVDF基复合材料室温储能性能的影响，结果表明，当添加量为0.6wt％时，复合材料的储能密度进一步提高，达到23.9J/cm3，是未负载Ni颗粒复合材料的1.76倍。这主要归因于MgAl LDH表面负载的Ni纳米颗粒，其与PVDF基体间存在较大的导电性差异，由此产生高的界面极化，进而使材料获得高的介电常数，同时超小的Ni纳米颗粒(1-2nm)可在复合材料界面处产生局部库仑阻塞效应，进一步提高材料击穿场强。 对MgAl LDH/PEI复合材料在25～200℃的介电性能进行研究，发现复合材料的介电常数基本保持稳定，而击穿场强随温度升高略有降低，其原因可能是高温使复合材料界面处的相互作用力变弱，导致界面相容性变差，容易引发电击穿。为此，采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)对MgAl LDH进行表面改性，结果表明改性后复合材料的高温介电常数和击穿场强均得到提升，且拟制了高温击穿场强的降低，150℃下复合材料的储能密度可达6.18J/cm3，与未改性复合材料和纯PEI相比分别提高了16％和114％。 采用有限元法，通过在电流场中建立平行板电容器几何模型，对MgAl LDH/PVDF复合材料体系的介电性能进行模拟，发现添加较大尺寸的MgAl LDH更有利于均化复合材料的内部电场，从而导致击穿性能提高;Ni-MgAl LDH/PVDF复合材料界面处的电荷密度明显高于未负载Ni颗粒的复合材料，因此产生的界面极化效应更强。
介电复合材料;片状镁铝水滑石;制备工艺;界面性质;高温储能密度
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）