石墨烯-无机粒子协同增强PVDF电介质的构筑、电性能及机理研究

Graphene enhanced high permittivity PVDF nanocomposite shows potential applications in various semiconductors,capacitors, Lithium batteries and resistors. At present, there are still two technical issues needed to be resolved in order to improve the overall capacity of energy storage. One is how to further enhance the dispersion state of graphene and its interfacial interactions with polymers. Another is how to effectively prevent the formation of graphene conductive pathway, thus minimizing the energy losses and enhancing the stability of permittivity under low frequencies and high temperatures. In this project, non-convalent modification of graphene via depositing inorganic nanoparticles (INPs) on the surface of graphene nanoplatlets appears to be attractive for tackling this issue. The well-dispersed graphene@INPs will be then introduced into PVDF matrix to form PVDF/graphene nanocomposites. The relationships between the dispersibility of graphene, the inferfacial interactions and its electrical properties will be particularly studied. The mechanisms of synergistic enhancement in dielectric properties will be explored. On successful completion of the project, a noval PVDF/graphene nanocomposite with high permittivity and low dielectric loss will be fabircated. In addition, the project will certainly promote further reasearch and provide theoretical support in the field of high energy storage polymer/graphene nancomposites.

石墨烯（graphene）增强高介电常数聚偏氟乙烯（PVDF）储能材料在半导体、电容器、锂电池、热敏电阻等器件上有着很大的应用前景。然而，目前对该材料的研究仍需解决以下问题以提高总的储能效果：一是如何进一步提高石墨烯的分散性和与基体的界面结合；二是如何有效防止石墨烯导电通路的形成，以降低损耗，提高低频和高温稳定性。针对这些问题，本项目拟从石墨烯材料本身结构特点和材料设计角度出发，通过非共价修饰方法在石墨烯表面有效负载一层无机纳米粒子(INPs)，通过无机纳米粒子的有效吸附实现稳定石墨烯和阻碍导电通道形成的目的。研究该graphene@INPs在PVDF基体中的分散性、界面结合与材料介电性能之间的内在联系，揭示不同性质无机粒子和石墨烯对PVDF介电性能的协同增强机理。在此基础上实现高介电常数低损耗PVDF电介质的研制，提高储能效果，并为其进一步应用提供理论支持。

提高石墨烯在聚合物基体中的分散性和改善界面结合的同时，有效防止石墨烯导电通路的形成，是获得高介电常数低介电损耗，提高聚合物电介质材料总的储能效果的关键。鉴于此，本项目从石墨烯材料本身结构特点和材料设计角度出发，通过石墨烯表面改性达到改善分散，阻碍导电通道的目的。主要研究内容有：.（1）利用聚乙烯苯磺酸钠（PSSNa）非共价包覆改性石墨烯，改性后石墨烯能够稳定分散于水和有机溶剂中。用其增强的环氧树脂（epoxy）材料具有优异的电学性能，在渗流阈值附近（1.2 wt%），材料的介电性能得到显著增强，其介电常数高达800，介电损耗仅为0.25（50 Hz）。相比于未改性的石墨烯而言，很少的石墨烯即可达到高介电低损耗的效果，同时有效改善了材料的热力学性能。.（2）利用单端氨基化聚乙二醇（PEG-NH2）共价接枝氧化石墨烯，经水合肼还原后的石墨烯（PEG-Graphene）具有较好的溶剂稳定性，能均匀分散在 PVDF 基体中，与基体界面结合良好；这种具有核壳结构的 PEG@graphene 有效提高了 PVDF 复合材料的介电常数，降低了介电损耗。其中，PEG@graphene/PVDF 3 wt%复合材料的介电常数高达137，介电损耗为 0.29（50 Hz） 。.（3）通过水热法在石墨烯表面有效负载一层无机纳米粒子(INPs)，一方面阻碍石墨烯团聚，防止导电通路形成，另一方面可达到协同增强聚合物电介质的介电性能的目的。我们将水热合成的Fe3O4@graphene填充到PVDF中，用PSSNa进一步稳定石墨烯，最终获得PVDF/Fe3O4@graphene 1wt%纳米复合材料的介电常数高达1300，介电损耗低至0.26。我们将水热合成的MnO2@graphene材料应用于MnO2@graphene/PANI超级电容器中，其比电容高达305 F/g，是二元graphene/PANI体系（155 F/g）的两倍。对材料结构与性能的探索表明，微型电容器理论是解释聚合物电介质材料高介电常数低介电损耗的根本原因。. 综述了当前广泛关注的从材料微观结构设计和填料界面修饰出发，来获得高介电常数、低介电损耗聚合物复合电介质材料的研究，表明设计具有“core-shell” 核壳或“ sandwich” 三明治结构的聚合物电介质材料是解决渗流电介质体系高介电损耗的有效方法。