均匀性对PVDF基聚合物复合电介质击穿及储能性能的影响机理研究

Flexible polymer/ceramic nanocomposite dielectrics have extremely important application in smart grid and high-energy weapons. Existing materials have fateful shortages and fail to show high breakdown strength (Eb), high energy storage density (Ue) and low energy loss (Ul), this may fundamentally due to their poor homogeneity and overmuch defects of the dielectric films. Although problem of poor compatibility had been partly solved via particle surface modification and addition of nanosheets, it is hard to completely solve problems such as nanoparticles agglomeration, uneven structural distribution and phases difference within polymers. In this project, crosslinkable poly(vinylidene fluoride)(PVDF)-based ferroelectric polymer matrices and organic reactive shell around ceramic particles are first prepared and constructed respectively. Then, an integrated network is built through chemical crosslinking between polymer and ceramic, composite films with continuously varied morphology and structural homogeneity are fabricated via stretching and heat treatments. After comparison of multi-scaled structure and electrical properties of the composite films before and after stretching, effects of structural homogeneity on dielectric, electrical breakdown, energy storage and energy loss performances of the polymer composites will be revealed. A novel processing technology of composite dielectrics with high Eb, high Ue and low Ul will be proposed after systematically investigation on its composition, film forming and heat treatments, which will surely lay a strong foundation for large-scale application of dielectrics with high energy capacity.

柔性聚合物/陶瓷纳米复合电介质在智能电网及高能武器装备领域具有重要应用，现有材料体系在高击穿场强（Eb）、高储能（Ue）及低损耗(Ul)等性能方面存在严重不足，主要是由于复合材料电介质膜中均一性差、缺陷点过多导致。通过粒子表面改性、纳米片的加入等可以部分解决相容性差的问题，但难以根本解决纳米粒子团聚、不均匀分布、聚合物相界面差异等难题。本项目拟首先制备可交联聚偏氟乙烯（PVDF）基铁电聚合物基体，并在陶瓷粒子的表面构筑功能化的有机外壳；利用聚合物与陶瓷间的化学交联构筑一体化结构，通过拉伸及热处理制备出具有连续变化的结构形貌及均匀性的复合膜材料；通过拉伸前后复合膜的多尺度结构与电性能的对比研究，明确结构均一性对聚合物复合材料介电、击穿、储能以及能量损耗的影响机理；通过组成、成膜及热处理工艺的系统研究，提出具有高Eb、高Ue及低Ul的复合电介质制备新工艺，为高储能电介质的规模化应用奠定基础。

薄膜电容器具有高能量释放效率、超快充放电速度和低成本、易加工等特性，广泛应用于新能源和现代国防军事等领域的电力电子系统。受限于原材料和加工工艺，现有聚合物电介质材料的能量密度不能满足日益增长的电力电子设备及军民装备对储能密度的要求，因此研究新一代高储能性能的电介质材料已迫在眉睫。项目以制备高储能密度和低能量损耗复合电介质材料为目标，提升复合材料均一性为核心，从聚合物基体改性、填料结构设计、界面调控及复合材料结构优化四个模块出发，研究材料均一性结构对储能性能的影响，并基于此设计制备了高可释放能量效率、高能量密度和高击穿场强的柔性复合电介质材料。首先，从基体优化出发，采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或甲基丙烯酸甲酯/苯乙烯共聚物（MS）来限制铁电聚合物的弛豫行为，或制备可交联基体，降低其能量损耗，制备出高能量释放效率的聚合物基体。其次，设计填料结构，采用不同技术制备出具有优异性能的填料（PLZST、氮化硼纳米片（BNNS）、钛酸锶钡（BST）等），并设计出多种结构进一步提升其性能。第三，采用改性剂（聚多巴胺（PDA）或相转变溶菌酶（PTL））或界面工艺（等离子体处理或静电纺丝）对聚合物/填料界面进行优化调控。最后，借助不同复合加工工艺，使填料在聚合物基体中实现均一性、可控分布以达到调控复合材料结构的目的。项目以模块化协同提升各方面性能为指导原则，设计出具有不同介电储能特性的复合电介质体系，最优条件下获得储能密度Ue高于20J/cm3和可释放能量效率大于 81%的高性能复合材料体系，并利用相场模拟分析验证了均一性对纳米复合电介质储能性能提升的作用机理，为高击穿场强、高储能密度和低能量损耗聚合物复合电介质的研究与应用提供了基础。