高介电石墨烯-聚合物复合材料的制备及其介电性能的界面调控

在渗流型聚合物复合材料中，存在于导电填料颗粒间的界面层对复合材料的电学性能有重要影响。本课题提出采用二维石墨烯纳米片作为填料与聚酰亚胺、聚偏氟乙烯基体进行复合，利用石墨烯纳米片平行排列时颗粒间较大的相对面积提高复合材料介电常数。通过进一步采用TiO2纳米颗粒对石墨烯纳米片表面改性，在石墨烯纳米片表面形成绝缘界面层，针对界面层对复合材料电学性能的影响规律进行系统研究，揭示其微观结构-性能关联。通过调节界面层本征电导率，利用绝缘界面层提高电子在相邻导电颗粒间传输所需克服的"隧穿"势垒，从而实现聚合物复合材料介电性能的综和优化，同时获得高介电常数和低介电损耗。深入研究石墨烯/聚合物复合薄膜介电性能随组分、制备工艺以及温度、外电场等外场的变化规律，为该聚合物复合薄膜的工业应用奠定基础。

本项目以具有高介电常数、高介电强度、低介电损耗的聚合物基复合电介质材料为研究对象。这类新型复合电介质是制造高性能、大容量、高储能密度静电电容器的核心材料。作为唯一能够在极短时间放出巨量电能的高功率储能器件，大容量、高储能密度静电电容器是电磁弹射、电磁炮及高能激光等武器系统无可替代的能量存储元件。在提高复合电介质介电常数的同时不显著降低其介电强度并保持低介电损耗是相关研究的热点和难点。本项目采用具有二维片状结构的石墨烯纳米片为改性填料，以具有良好绝缘性能的聚偏氟乙烯为聚合物基体，制备了石墨烯填充的聚合物复合材料。研究内容主要包括（1）石墨烯氧化物纳米片的还原、表面修饰及电导率调制机理（2）改性石墨烯纳米片在聚合物基体中的均匀分散及定向排列工艺研究（3）绝缘界面层对石墨烯/聚合物复合材料介电性能的影响规律研究（4）石墨烯/聚合物复合材料的组分、微观结构与性能的关联。经过三年的研究工作，本项目拟定的各项研究目标均基本实现。采用改进的Hummer’s方法制备了厚度小于5 nm的少层氧化石墨烯（GO）纳米片，进一步在水热环境下在此氧化石墨烯纳米片表面沉积了TiO2纳米晶（GO-TiO2），通过控制水热反应条件实现了对氧化石墨烯表面TiO2纳米层厚度的调制。选用聚偏氟乙烯（PVDF）为聚合物基体，采用溶液浇铸法制备了GO/PVDF和GO-TiO2/PVDF复合薄膜并对其介电性能进行了研究，获得了优化的介电性能，发现TiO2纳米层能够显著降低复合材料的介电损耗。进一步在其中引入高介电常数的BaTiO3纳米颗粒，制备了GO/BaTiO3/PVDF三相复合材料，利用BaTiO3纳米颗粒的空间位阻效应抑制了GO纳米片的直接接触，进一步提高了复合材料的绝缘性能，使其介电强度达到150kV/mm以上。在此基础上，根据理性结构设计，在PVDF基体内将GO-TiO2纳米片与Ba0.6Sr0.4TiO3纳米纤维分层择优分布，制备了具有叠层结构的复合材料，实现了对复合材料拓扑结构的调制。在该叠层结构复合材料中获得了超过14 J/cm3的高储能密度。三年来项目负责人共以第一作者/（共同）通讯作者发表SCI收录论文12篇（均标注资助），其中包括Adv. Mater. 1篇，Adv. Funct.Mate.r 1篇，J. Mater. Chem. (A) 6篇，Appl. Phys. Lett. 2篇等