用正电子湮没研究纳米粒子掺杂对聚合物固体电解质的微结构和离子输运的影响

高分子固体电解质虽然具有较高电导率、易于加工、造价低和较好粘弹性等优点成为材料科学工作者研究的热点，但由于室温电导率低和力学性能差使其应用受到限制。近年来，将纳米氧化物（ZnO、 TiO2 等）掺杂到聚合物中以提高电导率及力学性能的研究受到材料科学工作者的广泛关注，其中关于纳米粒子掺杂聚合物固体电解质后电导率和力学性能增强的微观机理是有待深入研究的重要课题。本项目将利用新兴双探头正电子湮没符合多普勒展宽谱技术及常规正电子湮没技术，并辅之以其它相关实验技术系统地研究纳米粒子的大小及含量，表面处理及分散，纳米粒子周围化学环境对聚合物纳米复合固体电解质中纳米粒子与基质间的界面相互作用、界面缺陷特性、纳米尺度自由体积和离子输运，玻璃化转变和电导率的影响，为揭示导电离子与基质和纳米粒子间的相互作用、导电离子的输运的微观机理、为高性能聚合物纳米复合固体电解质材料的分子设计和应用提供理论依据和基础数据。

本项目利用正电子湮没技术，并辅之以其它相关实验技术系统地研究了不同纳米粒子及含量，界面相互作用对聚合物纳米复合材料的界面缺陷特性、纳米尺度自由体积和离子输运，玻璃化转变，声子散射和电导率的影响。主要成果如下：.1.发现由于纳米氧化锌的交联作用，聚氧化乙烯无序纵向声学模式受到压缩。纳米氧化锌与聚氧化乙烯的相互作用降低聚氧化乙烯包裹锂离子的络合结构对称性，使得高聚物分子链段网络中的锂离子更易于迁移，导致电导率增加五倍；.2.发现纳米复合固体电解质的室温电导率的增强明显高于高温区，解决了聚合物固体电解质室温电导率低的瓶颈。提出了修正的VTF方程的物理模型，阐明了纳米粒子与聚合物基质间的相互作用对离子输运的影响及导电率增强机理。.3.发现氧化石墨烯掺杂的聚合物固态电解质的室温电导率增加70倍。不同氧化石墨烯浓度时锂离子与聚氧化乙烯链段所形成的氧化石墨烯/锂离子/氧化石墨烯、氧化石墨烯/聚氧化乙烯/氧化石墨烯、氧化石墨烯/锂离子/聚氧化乙烯/锂离子/氧化石墨烯这三类不同的插层结构。其中，氧化石墨烯/锂离子/聚氧化乙烯/锂离子/氧化石墨烯这种插层纳米复合结构具有优异的锂离子输运性能。此外，我们发现，类托土的掺杂降低了PEO的结晶度导致自由体积和离子电导率增加。 .4.发现经纳米石墨烯（GO）掺杂后导电高分子聚乙炔（PPy）的导电率增加四个量级。导电率增强机理来源于GO和PPy 界面相互作用导致电子转移致使双极化子浓度和铰链长度增加。.5.碳纳米管掺杂的聚碳酸酯管复合材料的电导率提高近十个量级。首次提出正电子湮没符合多普勒展宽测量可以作为确定复合材料导电阈值和流变阈值的新方法。首次建立了聚碳酸酯/多壁碳纳米管复合材料的复合模量和阻尼性能与自由体积分数间的直接定量关系，阐明了材料阻尼性能增强的微观机理。.6.首次建立了自由体积缺陷和热导率的直接定量关系，揭示了声子被界面自由体积缺陷散射是决定热导率的关键因素。.7.提出了一个界面相互作用随温度变化的演化模型，成功地解释了界面间相互作用随温度的变化及其对自由体积分布和力学性能的影响。揭示了界面相互作用对其力学性能的影响。.8.在Carbon,Molecules,J.Memb.Sci和Appl.Phys.Lett等国际知名杂志上发表SCI收录论文9篇。