片状纳米氧化铝粉体制备及其在介电复合材料中应用研究
本文基于有机无机介电复合材料的应用需求，从合成作为无机填料的片状纳米氧化铝粉体(Al2O3NSs)出发，以聚醚酰亚胺(PEI)作为有机基质，系统开展提高Al2O3NSs/PEI复合材料击穿场强和能量密度的实验研究与有限元模拟研究工作，并对该复合材料性能提升的机理进行解释，本论文的具体研究工作如下。 首先，采用水热法制备片状Al2O3粉体，探究水热温度对颗粒形貌和水热时间对复合材料击穿场强的影响。发现当水热温度从140℃升高到180℃时，Al2O3粉体的形貌逐渐变为规则的片状形貌，横向尺寸约为50nm,厚度约为10nm,继续升温至200℃，合成的Al2O3粉体团聚严重。当水热时间从16h增大至28h时，将合成的Al2O3粉体加入到PEI中制备成复合材料，研究其击穿场强变化，发现当粉体水热时间从16h增大至24h时，复合材料在150℃下的击穿场强不断增大，继续增大至28h,其击穿场强下降。 将上述制备的Al2O3NSs作为复合材料的无机相，PEI作为有机相，采用溶液浇铸法制备Al2O3NSs/PEI复合材料，研究Al2O3NSs添加量对复合材料击穿场强和能量密度的影响，结果表明，当Al2O3NSs添加量为0.6wt％时，复合材料在25℃下的击穿场强和放电能量密度分别达到693kV/mm和7.33J/cm3,与纯PEI相比，提高了26.2％和133％,在150℃下的击穿场强和放电能量密度分别达到565kV/mm和5.2J/cm3,比纯PEI提高了29.8％和168％。复合材料击穿场强和放电能量密度的提高可归因于Al2O3NSs的宽带隙和片状形貌能够在复合材料内部产生深陷阱，捕获游离的电荷，并阻挡电树枝的发展。 基于上述研究结果，为了进一步提高复合材料在高温下的能量密度，对Al2O3NSs进行表面改性处理以改善复合材料的界面相容性。分别考察3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)三种改性剂，实验发现PVP对Al2O3NSs的改性效果较优，在150℃下复合材料的储能密度达到6.33J/cm3,相比于添加未改性Al2O3NSs的复合材料，提高了20％。高温储能密度提高的原因在于通过PVP可改善Al2O3NSs与PEI的界面相容性，增强了在高温下的界面结合力。 最后，采用有限元方法模拟研究Al2O3NSs/PEI复合材料内部电场强度和电荷密度分布的影响。模拟结果显示，Al2O3NSs的加入可以有效降低复合材料内部的电场强度从而提高其击穿场强，并且当Al2O3NSs间距保持在一定范围内可以最大限度降低复合材料内部电场强度。将电流场与温度场耦合，模拟研究复合材料内部温度梯度变化，发现Al2O3NSs在复合材料中充当热量散射中心，可以及时转移复合材料内部的焦耳热，避免热击穿。
介电复合材料;氧化铝;纳米粉体;聚醚酰亚胺;表面改性;储能性能
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
刘晓林
2023
中文
TB33
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）