新型二维高介电纳米片/聚合物复合电介质的制备及介电、储能性质研究

The development of electric power industry needs equipment and devices of higher voltage and larger capability. In the case of electrical energy storage and electric stress control, polymer dielectrics with high dielectric constant and high breakdown strength are highly desirable. However, the current strategies cannot fulfill the requirement of synergistic enhancement of dielectric constant and breakdown strength. In this project, 2D BaTiO3 decorated BN nanosheets will be prepared by large scale. The BaTiO3 and the BN nanosheets were designed to enhance the dielectric constant and breakdown strength of the resulting polymer nanocomposite dielectrics, respectively. The effect of composition, surface chemistry and loading of the BaTiO3 decorated BN nanosheets on the dielectric property, electrical energy storage and thermophysical property of the corresponding polymer nanocomposites will be investigated in detail. Numerical simulation will be used to reveal the synergistic enhancement mechanism of dielectric constant and breakdown strength in the polymer nanocomposites filled with BaTiO3 decorated BN nanosheets. The achievement of this project will provide experimental and theoretical fundamentals for the development of polymer dielectrics for electrical energy storage and electric stress control applications.

电力电子设备向高电压和大容量方向发展，在储能及电应力控制等场合需要介电常数和介电强度协同提高的聚合物电介质。然而，现有提高聚合物介电常数的方法难以使复合电介质保持高介电强度。本项目提出利用二维高介电纳米片协同提高聚合物复合电介质的击穿强度和介电常数。在超薄氮化硼纳米片表面包覆一层厚度可控的纳米钛酸钡，获得一类新型的二维高介电纳米复合颗粒。分别利用超薄氮化硼纳米片及纳米钛酸钡提高聚合物复合电介质的介电强度和介电常数。研究超薄氮化硼纳米片的宏量制备策略、二维高介电纳米复合颗粒的制备方法，考察二维高介电纳米复合颗粒的组成、表面化学、加入量等对聚合物复合电介质的介电、储能以及热物理性能的影响，辅以数值计算揭示复合电介质介电常数和介电强度协同提高的机制。为发展储能及电应力控制用高性能复合电介质提供理论和技术支撑。

电气设备向高电压和大容量方向发展，在储能及电应力控制等场合需要介电常数和介电强度协同提高的聚合物电介质。然而，现有提高聚合物介电常数的方法难以使复合电介质保持高介电强度。本项目提出利用二维高介电纳米片协同提高聚合物复合电介质的击穿强度和介电常数。研究超薄氮化硼纳米片的宏量制备策略、二维高介电纳米复合颗粒的制备方法，考察二维高介电纳米复合颗粒的组成、表面化学、加入量等对聚合物复合电介质的介电、储能以及热物理性能的影响，辅以数值计算揭示复合电介质介电常数和介电强度协同提高的机制。利用氮化硼纳米片（BNNS）表面化学吸附氨基功能化的聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯大分子，使聚合物复合介质的击穿强度由导热系数可达2.42 W/mK，放电能量密度由5.2 J cm-3大幅增加到31.8 J cm-3。项目共发表论文37篇，其中nature论文1篇，出版专著1部，授权专利2项。在国际学术会议作邀请报告9次。培养出站博士后3人，毕业硕士生3人，尚有在校硕士生2人，博士生6人，在站博士后4人。负责人黄兴溢获得唐立新优秀学者奖和上海市优秀学术带头人。该项目的完成为发展储能及电应力控制用高性能复合电介质提供理论和技术支撑。