高储能BaTiO3/PVDF电介质的界面设计与极化机理研究

本项目旨在通过BaTiO3粉体的功能化制备BaTiO3/PVDF储能电介质复合材料，并通过多层结构设计达到制备高储能密度材料的目的，探索高储能BaTiO3/PVDF电介质的界面设计与极化机理研究。.选择合适改性剂使BaTiO3表面功能化并与PVDF复合；研究功能化BaTiO3混入量与复合材料介电性能和击穿场强的关系，探索功能化BaTiO3对提高复合材料储能密度的影响规律。依据电介质界面极化原理，设计具有介电梯度的复合材料结构方案并制成相应材料，利用多种现代测试仪器及各种显微表征手段获得介电层厚度、层间介电差异、介电层组合规律及层界面结合情况等对复合材料介电常数的影响规律，取得优化的复合材料的结构模型参数，以在不降低击穿场强情况下提高其整体介电常数获得高储能密度材料，弄清界面极化和材料储能密度的内在联系。项目实施拓展了高储能复合材料的制备方法，为储能器件材料研制提供理论基础和产业化支持。

为满足小型化、轻量化及高性能电容器需求，本项目设计和制备了单层和多层BaTiO3/PVDF介电复合材料，获得了提高材料介电常数、击穿场强及储能密度的优化组成和结构参数，解释了电性能提高的机制，为制备材料提供理论依据。采用钛酸酯、多巴胺、PEG和Silica分别对100nm BaTiO3进行表面功能化处理，采用液相浇铸、流延及旋涂工艺制备单层或多层复合材料，材料介电或抗击穿性能得到提高。对于单层材料，钛酸酯和多巴胺改性后所得材料的击穿场强均得到提高，BaTiO3分别添加7vol%和5vol%时，击穿场强超过200kv/mm，继续增加BaTiO3可使击穿场强减小，20vol% 时的击穿场强均低于100kv/mm；添加7vol%Silica改性BaTiO3时，击穿场强也达200kv/mm，BaTiO3增至33%时击穿场强仍可保持在100kv/mm以上；添加10vol%PEG改性的BaTiO3%时，介电常数达50，高于改性前2倍多。对于多层结构复合材料，5层交替结构材料的电性能较优，BaTiO3总含量为20vol%时，介电常数超过同含量单层材料的1.4倍，击穿场强仍可保持115kV/mm。1)有机-无机相容性机制可解释表面功能化后BaTiO3/PVDF复合材料击穿场强提高的现象。钛酸酯和多巴胺分子所带的长链烷基、羟基、氨基与BaTiO3和PVDF以化学键的形成结合，可减少界面间形成导电通路的几率，阻止击穿场强降低；Silica的巨大比表面积及Silica带有的羟基基团可将BaTiO3与PVDF形成紧密结合，使Silica在相界面处吸收应力减缓击穿场强下降，使材料在高BaTiO3含量时击穿场强仍保持较高。2)介电差异-界面极化效应存在于多层BaTiO3/PVDF复合材料中，能有效提高材料介电常数。一方面，BaTiO3与PVDF间介电差异产生的界面极化效应可提高单层介电常数；另一方面，相邻层间介电差异形成的界面极化效应可进一步提高复合材料的介电常数。3)库仑阻塞效应初步解释了添加导电第三相的复合材料电性能提高的结果。当导体含量分别为1.9%(50nmNi)和0.24%(50nmAg)时，三相材料击穿场强达可达200kV/mm和163kV/mm，优于纯BaTiO3/PVDF两相复合材料，添加少量导体可诱发库仑阻塞效应，利于击穿场强的提高，本研究可作为复合材料电性能的新研究方向。