高储能PVDF基纳米复合材料研究进展

随着电子技术的不断进步,目前商业化应用最为广泛的双向拉伸聚丙烯(BOPP)因其较小的储能密度已不能满足电子产品的要求。在众多可作为电介质薄膜的材料中,聚偏氟乙烯(PVDF)基纳米复合材料因其介电常数高、加工性能好等优点受到广泛关注。本文在介绍电介质复合材料理论模型的基础上系统综述了目前PVDF基纳米复合材料的主要制备策略:填料改性、多相共混及构建新颖结构,并对PVDF基复合储能材料的发展前景进行了展望。

BZT 25纳米粉体的制备及PVDF/BZT 25纳米复合材料的介电性能

通过一步水热法制备了BaZr0.25Ti0.75O3纳米粉体,所得纳米颗粒为均一球形,含钡、锆、钛和氧4种元素。对其成分分析表明,制备的纳米颗粒对应BaZr0.25Ti0.75O3。通过溶液铸膜法,将BaZr0.25Ti0.75O3纳米颗粒作为填充剂制备了PVDF/BaZr0.25Ti0.75O3纳米复合材料薄膜,并表征了介电性能。结果表明,随着BaZr0.25Ti0.75O3的含量从0增加至40 wt%时,介电常数从9.6增加至12.7(1 kHz)。薄膜的介电常数和介电损耗随频率的变化均可观察到两个不同的变化阶段。在低频下(<10 kHz),两相界面极化使得介电常数较高,同时空间电荷极化损耗也较大;当频率升高时,材料内部的转向极化和空间电荷极化都减小,使介电常数和介电损耗减小。在高频下(>10 kHz),介电常数延续减小趋势而介电损耗由于基体PVDF玻璃化转变过程而快速增大。此实验涉及无机陶瓷及其纳米复合材料的制备、表征及数据分析,可在本实验基础上开发专业综合实验,培养学生科研的兴趣,同时为学生从事科研或生产打下基础。

氧原子辐射作用下PVDF/POSS纳米复合材料的腐蚀损伤模拟

POSS材料掺杂到PVDF材料中能有效提高PVDF材料的抗氧化性能,同时不影响其高比强度和高比模量。由于实验室环境难以模拟空间环境氧原子对PVDF/POSS纳米复合材料的辐射作用,采用LLAMMPS软件模拟PVDF与PVDF/POSS两种材料在氧原子辐射作用下的腐蚀损伤行为。结果表明:POSS能有效提高材料的抗氧化性能,模拟结果合理科学,可有效指导空间环境中PVDF/POSS材料腐蚀损伤行为的研究。

聚偏二氟乙烯/(Y_(0.97)Eu_(0.03))_2O_3稀土氧化物纳米复合材料制备、形貌及发光性能(英文)

借助超声技术采用一种简便易行的共沉淀方法制备出聚偏二氟乙烯(PVDF) /钇铕稀土氧化物((Y0.97Eu0.03)2O3)纳米粒子发光纳米复合材料。复合材料的断面形貌和(Y0.97Eu0.03)2O3纳米粒子在PVDF基体中的分散状态通过扫描电子显微镜(SEM)进行了研究,其发光性质通过荧光光谱进行表征。SEM结果表明:当(Y0.97Eu0.03)2O3纳米粒子添加量在1% ～5%时,(Y0.97Eu0.03)2O3纳米粒子在PVDF基体中形成尺寸在50 nm～2μm的团聚体,其尺寸随(Y0.97Eu0.03)2O3添加量增加而增大;当(Y0.97Eu0.03)2O3添加量小于1%时, (Y0.97Eu0.03)2O3纳米粒子在PVDF基体中实现了较好分散。发光光谱结果表明制备的纳米复合材料具有明显的红光发射特征,对应于(Y0.97Eu0.03)2O3纳米粒子的本征发射。制备的高分子发光纳米复合材料将来有望在光学材料中获得应用。

氧化石墨烯掺杂增强Al@AP/PVDF亚稳态复合物燃烧性能研究

利用喷雾造粒技术制备了一类新型的亚稳态分子间复合含能材料(metastable intermixed composite,MIC)。这种复合材料由铝(Al)、高氯酸铵(ammonium perchlorate, AP)和聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride, PVDF)组成,其中Al作为燃料,AP和PVDF共同作为氧化剂,并根据最大反应放热量确定AP和PVDF的添加比例。此外,在材料中还掺杂了少量的氧化石墨烯(graphene oxide, GO)充当润滑剂和催化剂。结果表明,含有0.2%氧化石墨烯的Al@AP/PVDF具有最大的密度(2.57 g·cm^-3)和最高的反应放热量(5999.5 J·g^-1)。这些值远高于Al@AP/PVDF的密度(2.00 g·cm^-3)和反应放热量(5569.8 J·g^-1)。氧化石墨烯的加入提高了Al@AP/PVDF的反应速率并改善了其热稳定性。掺杂0.2%氧化石墨烯的Al@AP/PVDF使得火焰传播速率达到了4.76 m·s^-1,相对于Al@AP/PVDF的火焰传播速率提高了约10.7%。掺杂氧化石墨烯的Al@AP/PVDF(Al@AP/PVDF-GO)具有更好的界面接触和颗粒分散性,从而提高了传热速率,消除了纳米铝(nano-Al)粉微粒的团聚现象,提高了燃烧反应速率。本研究使得铝基MIC的能量释放和燃烧效率得到了提高。

CsPbI_(3)/PVDF复合纤维基压电纳米发电机的构筑

无机铯铅卤素钙钛矿具有出色的光学和电子性能,已发展成为现代光电子纳米器件的新兴材料。本文配置溶有铯铅碘钙钛矿(CsPbI3)与聚偏氟乙烯(Polyvinylidene difluoride,PVDF)的前驱体溶液,采用静电纺丝方法,原位合成CsPbI3/PVDF复合纤维。该纤维表面光滑,直径约为100 nm,内部均匀分布着平均直径约为20 nm的CsPbI3纳米晶粒。采用CsPbI3/PVDF复合纤维构筑的压电纳米发电机的开路电压(Voc)为9.18 V,短路电流密度为97.72 nA/cm2,输出电流Isc居于中等水平。研究表明,CsPbI3/PVDF复合纤维是构筑压电纳米发电机的可选材料,在机械能量收集和运动传感技术中具有广阔的应用前景。

AgNWs-PVDF气喷/熔喷复合材料的制备及性能

采用气喷的方式将银纳米线-聚偏氟乙烯(AgNWs-PVDF)纺丝液喷射到PP熔喷布上,制备微-纳米结构的AgNWs-PVDF气喷/熔喷复合材料,并对其形貌、接触角、孔隙、力学、过滤以及抗菌性能等进行表征。结果表明:熔喷PP纤维的直径为2μm,气喷AgNWs-PVDF纤维直径仅为99.5 nm;经纳米和微米纤维复合后,材料的过滤效率明显提高,最高增长48.61%;而过滤阻力变化不大,仅增加2 Pa;复合材料与熔喷布相比疏水性有所提高,接触角增至138°;AgNWs的抗菌优势使材料对大肠埃希菌和金黄色葡萄球菌有明显抑制作用,抑菌圈直径分别达25.56、26.13 mm。

新型AgNWs/PVDF电磁屏蔽材料的制备及性能研究

采用改进的多元醇水热法制备银纳米线(AgNWs),并以PVDF为基体采用溶液析出共混和热压技术制备AgNWs/PVDF复合材料。利用扫描电子显微镜对AgNWs的形貌和复合材料断面进行表征,发现AgNWs在复合材料中分布均匀。采用阻抗分析仪和四探针测试仪对复合材料的交流电导率和直流电导率进行测试,银纳米线含量越高,AgNWs/PVDF复合材料的电导率也越高,当AgNWs含量为5%(质量分数)时,复合材料电导率就可以到达0.56 S/cm。采用矢量网络分析仪对复合材料的电磁屏蔽性能进行测试,当AgNWs为5%(质量分数)时,复合材料的电磁屏蔽性能到达28 dB,并且随着AgNWs含量的增加,复合材料电磁屏蔽性能也随着提高。

添加Ni和Ag纳米颗粒对BaTiO_3/PVDF复合材料击穿场强的影响

选用金属Ni和Ag纳米颗粒作为导体相,采用共混法分别制备了击穿场强较高的Ni-BaTiO3/聚偏氟乙烯(Ni-BaTiO3/PVDF)和Ag-BaTiO3/PVDF三相复合材料。研究了导体相Ni和Ag添加量、粒径及导体种类对复合材料击穿场强的影响,发现Ni-BaTiO3/PVDF和Ag-BaTiO3/PVDF三相复合材料的击穿场强均随导体添加量的增加呈现先升高后降低的趋势,且在适宜的导体添加量下复合材料均表现出高于未添加导体相的BaTiO3/PVDF两相复合材料的击穿场强;添加同类导体Ni时,Ni粒径越小,三相复合材料的击穿场强提高越明显;导体添加量与粒径均相同时,Ni-BaTiO3/PVDF复合材料的击穿场强较高,当粒径50nm的Ni添加量为体积分数1.90%时,其击穿场强可达200kV/mm,储能密度比BaTiO3/PVDF两相复合材料提高4倍。这些结果可用库仑阻塞效应很好地解释。

多尺度功能性填料PVDF基纳米复合材料的制备和性能

先以两种直径(50 nm,100 nm)的羟基化钛酸钡(BT)和两种长度(10~20 nm,20~40 nm)的酸化多壁碳纳米管(MWCNTs)为功能填料,进行液相反应制备四种BT/MWCNTs杂化纳米填料(分别记为BT-A/MWCNTsB,其中A=5,10;B=1,2),再用熔融共混-压板成型技术分别将其与PVDF复合制备出BT-A/MWCNTs-B/PVDF纳米复合材料。使用X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、差示扫描量热分析(DSC)、扫描电子显微镜(SEM)、拉伸性能测试和介电性能测试系统研究了多尺度功能性填料BT-A/MWCNTs-B对这种纳米复合材料的组织结构和结晶性能、介电性能和力学性能的影响。结果表明,与BT/PVDF和MWCNTs/PVDF体系相比,BT-A/MWCNTs-B/PVDF纳米复合材料具有更高的结晶度和热性能,BT-10的含量(质量分数,下同)为16%、MWCNTs-2的含量为5%的BT-10/MWCNTs-2/PVDF纳米复合材料其熔融温度可达173.8℃,比纯PVDF(159.6℃)提高了14.2℃,其结晶度可达43.1%。三相BT-A/MWCNTs-B/PVDF纳米复合材料比两相纳米复合材料具有更优异的介电性能,BT-10/MWCNTs-2/PVDF纳米复合材料100Hz下的介电常数为119,为纯PVDF的14倍,其介电损耗只有0.051。BT-10/MWCNTs-2/PVDF纳米复合材料的拉伸强度和弹性模量分别达到57.7 MPa和1226 MPa。

柔性石墨烯/聚偏氟乙烯电加热复合膜的制备与研究

石墨烯(GE)具有独特的二维纳米结构、良好的导电性和优异的热性能,使其在与聚偏二氟乙烯(PVDF)一起构建高性能聚合物填料时优于传统填料材料。采用溶液共混法制备GE/PVDF分散液,真空干燥法制备了GE/PVDF电热复合膜。GE/PVDF复合膜具有优良的电热性能(10 V电压下可快速达到196℃)、柔韧性好、质量轻(16 g/m^(2))及热量分布均匀等特点。GE/PVDF复合膜保留了GE的固有特性,可在较低的工作电压下进行快速的电热响应,并继承了PVDF良好的机械性能。与其他电热材料相比,GE/PVDF复合膜具有显著优势,有助于提升智能纺织品在工业和航空等领域的应用。

PLT/P(VDF-TrFE)纳米复合材料的热释电性能研究

采用溶胶-凝胶方法制备出PLT纳米晶微粉,并用该微粉在超声分散下与P（VDF-TrFE）进行均匀复合,成功地制备了PLT/P（VDF-TrFE）纳米复合材料。测量了不同体积分数下样品的介电湿谱;结合SEM形貌观察,利用Bruggeman模型较好地解释了复合样品的介电特性;对不同极化电场下复合样品的热释电性能和优质因子进行了研究,结果显示,当极化电场为45kV/mm,样品的优质因子可高达1.73μC/m^2K,它明显高于单一材料的优质因子,是一类具有应用前景的复合型热释电材料。