BaTiO3@GO核-壳结构纳米颗粒/聚合物介电复合膜的界面调控及损耗机制

In pulsed power storage technology, high dielectric constant, high breakdown and low loss are key parameters for the next-generation flexible capacitor with high energy density. Polymer-based nanocomposite is a promising candidate material for the new pulse power capacitor. However, it is difficult in current researches to reduce the loss and enhance the energy efficient of PVDF-based dielectric nanocomposite. In order to explore the interfacial characterization and loss issues during charge-discharge cycle, a polar-fluoropolymer nanocomposite film consisting of low-loss poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene) (P(VDF-TrFE-CFE)) and crumpled nanosheets high-k nanoparticles is developed. The phase, crystal structure and interphase of nanocomposite film are tuned by the fabrication and post process. The influence of nanostructure on the dielectric property, polarization, energy storage performance and charge-discharge cycle loss of nanocomposite film is investigated. The mechanism of energy loss in PVDF-based nanocomposite film under high electrical field is developed. The correlation between interface and energy storage ability during device operation is to be explored, which should lay the theoretical ground work for the dielectric properties enhancement, featuring great intellectual merits and broad engineering implications of PVDF-based dielectrics.

在新一代薄膜脉冲技术中，制备高介电常数、高击穿场强以及低损耗的聚合物基电介质材料是实现高能量密度储能的关键。然而，如何有效降低高场强下聚合物复合膜的损耗是当前研究的难点。本项目针对高场强时的能量损耗问题，采用氧化石墨烯包覆钛酸钡（BaTiO3@GO）核-壳结构纳米颗粒，与聚（偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯）（P(VDF-TrFE-CFE)）制备介电复合膜，通过GO热还原程度实现介电复合膜界面的调控，研究制备方法和工艺参数对复合膜晶体结构、结晶相组成和界面的影响，探讨其对介电性能、极化行为、电学性能和储能性能的影响规律，分析高场强下复合膜的损耗表现形式，建立高场强下复合膜的损耗机制，为PVDF基电介质复合材料的开发提供数据支撑和理论指导。

迄今为止，关于纳米技术的理论研究，特别是纳米复合材料宏观行为的微观机理还不十分明确。其中一个最重要的原因是纳米粒子与聚合物基体界面区域的复杂性。它不可能用一个单一的理论模型就完全理解。因此未来的工作应关注纳米复合材料介电性能和储能性能的增强机制，揭示理想纳米复合材料的新型微观结构。解决该问题的难点是界面特性单一因素剥离与定量表征。.本项目主要从界面工程角度出发，首先以氧化石墨烯(GO)纳米片和钛酸钡纳米颗粒为研究对象，研究核壳结构的可控制备工艺，探讨核壳结构纳米颗粒电学特性的调控手段，利用X射线光电子能谱仪和四探针仪定量表征了GO的还原程度，获得了绝缘体、半导体、导体特性的GO、 rGO、 H-rGO壳层材料，实现了在包覆层材料不变的前提下壳层材料的电学特性调控；其次，以PVDF为基体制备纳米复合材料，利用分子动力学模拟对界面特性进行定量表征，结合X射线衍射仪、傅里叶变换红外光谱仪和差示扫描量热仪等表征手段，对比研究了界面特性对复合膜晶体结构、相组成和介电性能的影响规律，在有限元模拟的辅助下，揭示了核壳结构/聚合物纳米复合材料的极化增强机制主要以界面极化为主。.然后对复合膜的极化性能、储能性能等宏观性能进行分析，建立了界面特性与储能性能之间的关系。利用电学测量手段分析了高场下电导率的变化趋势，发现了空间电荷限制电流增值机制(SCLC)。随着电场强度的升高，载流子迅速增殖，复合膜的电流密度逐渐升高。随着rGO电导率的升高，电流密度增殖较快，出现了与PVDF电流密度的交点，交点后复合膜的电流密度低于PVDF膜，与复合膜储能效率的变化趋势相一致，说明了电子电导机制为主的损耗机制。.本工作提出了一种制备具有优越储能性能的聚合物纳米复合材料的有效策略，揭示了高场下的损耗机制，为下一代脉冲功率储能器件提供了理论支撑。