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面向储能应用的聚合物基纳米复合材料

【摘要】:随着新能源产业逐步成为全球经济增长的一个新引擎,储能技术作为制约新能源产业发展的一个重要因素,得到了世界各国工业界和学术界的广泛研究。在众多储能技术路线中,介电储能技术由于其响应速度快、器件小型化、成本低廉等特点,在储能领域具有广泛的市场应用前景,并且也逐渐成为了储能技术发展中不可或缺的研究内容。介电储能技术的核心在于介电储能材料的研发和制备,而介电储能材料主要分为陶瓷材料、聚合物材料和聚合物基复合材料。其中,聚合物基复合材料通过在聚合物基体中引入填充材料如陶瓷颗粒等,结合各相材料的性能特点,得到具备高储能性能的聚合物基复合材料。本论文以面向储能应用的聚合物基纳米复合材料为研究对象,通过在聚合物基体中填充陶瓷纳米颗粒以得到聚合物基纳米复合材料,有效结合聚合物和陶瓷材料各自的性能特点。系统研究了纳米颗粒的引入对聚合物基纳米复合材料结构和性能的影响,并分别利用纳米颗粒表面改性改善纳米颗粒与聚合物基体间的相容性以提高聚合物基纳米复合材料的均一性,利用纳米颗粒核壳包覆调控界面极化和空间电荷极化以降低聚合物基纳米复合材料的能量损耗,以及利用引入介电弹性体等第三相材料以提高聚合物基纳米复合材料的极化性能,从而显著地提升了聚合物基纳米复合材料的储能性能,进一步推动了聚合物基纳米复合材料在介电储能领域的研究发展和工业应用。第一章概述了本论文主要研究内容以及相关理论和应用背景。首先介绍了介电材料的极化机制、电击穿特性和铁电体中的电滞回线,并进一步引申出电介质材料的储能性能。然后总结和分析了陶瓷材料、聚合物材料和聚合物基复合材料在介电储能领域的研究发展情况。最后介绍了本论文主要研究内容即研究和开发面向储能应用的聚合物基纳米复合材料。第二章系统研究了聚合物基纳米复合材料的结构、性能及其之间的关系。首先介绍了聚合物基纳米复合材料的薄膜制备工艺,以及聚合物基纳米复合材料结构与性能的测试和表征手段。其次以钛酸钡(BaTiO_3)纳米颗粒为填充颗粒,聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)为聚合物基体,制备得到钛酸钡-聚偏氟乙烯(BaTiO_3-PVDF)复合材料薄膜样品,并系统研究了其结构、介电性能和储能性能,着重探讨了BaTiO_3纳米颗粒的引入对聚合物基纳米复合材料结构与性能的影响。然后,还研究了聚合物基纳米复合材料在微波频段的介电性能,并进一步地探讨了低填充体积比聚合物基纳米复合材料高击穿场强的特点。最后,讨论了纳米颗粒的粒径对聚合物基纳米复合材料结构与性能的影响。本章系统分析了纳米颗粒的引入对聚合物基纳米复合材料结构和性能的影响,首次将该分析扩展到了微波频段,并且成功地将高压绝缘领域利用纳米颗粒提高聚合物绝缘性能的手段应用到了聚合物基纳米复合材料的储能研究中,大幅度提高了聚合物基纳米复合材料的储能密度。第三章研究了纳米颗粒表面改性及核壳包覆对聚合物基纳米复合材料介电性能和储能性能的影响。分别采用聚乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone,PVP)、四氟邻苯二甲酸(tetrafluorophthalic acid)和钛酸酯偶联剂对BaTiO_3纳米颗粒表面改性并制备聚合物基纳米复合材料,显著提高了聚合物基纳米复合材料的均一性、击穿场强和储能密度。另外,利用核壳包覆在BaTiO_3纳米颗粒表面包覆SiO_2壳层并制备聚合物基纳米复合材料,大幅度降低了聚合物基纳米复合材料的能量损耗。本章首次提出利用聚乙烯吡咯烷酮和四氟邻苯二甲酸改善纳米颗粒与聚合物基体间的相容性及其界面相,此外利用纳米颗粒核壳包覆成功调控了界面极化和空间电荷极化。第四章研究了三相聚合物基纳米复合材料的介电性能和储能性能。通过在两相聚合物基纳米复合材料中引入丙烯酸酯橡胶介电弹性体(polyacrylate elastomers),利用其弹性形变有效提高了聚合物基纳米复合材料的极化强度和储能密度。此外通过在两相聚合物基纳米复合材料中引入Ag纳米颗粒,利用渝渗现象大幅度提高了聚合物基纳米复合材料的相对介电常数。本章创造性地利用介电弹性体的弹性形变改善聚合物基纳米复合材料的极化性能,为聚合物基纳米复合材料储能研究开拓了新的研究思路。第五章概述了本论文的主要结论,并展望了聚合物基纳米复合材料储能研究的下一步发展。

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