钛酸锶钡/聚偏氟乙烯柔性复合材料的制备及电性能研究

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有机-无机复合介质是制备柔性储能电容器的核心材料。随着对电子器件性能要求不断提高,必须制备出具有高介电常数、低损耗和高储能密度的柔性储能电容器。本文采用溶胶-凝胶法制备的Ba0.4Sr0.6Ti O3(BST)粉体作为无机介质,以聚合物PVDF为有机基质,采用常规溶液共混法制备BST/PVDF复合膜。通过对BST粉体进行掺杂改性和包覆改性,分别研究了Y/Mn-doped BST/PVDF、Y/Mn-doped BST@Zr O2/PVDF、Y-BST@Mn-BST/PVDF和Y-BST@Mn-BST@Zr O2/PVDF复合膜的电性能。主要工作如下:首先,采用溶胶-凝胶法制备BST粉体并优化了BST/PVDF复合膜中的BST填充含量。在水酸比为1:1.1、退火温度为800℃、溶胶中添加PVP与Ti的比例为3:400、球磨时间为32h的工艺条件下,制备出纯度高、无杂质、均匀、细小、分散的BST颗粒。再采用常规溶液共混法将细化的BST粉体与PVDF复合,探究0~40%的BST粉体填充量对BST/PVDF复合膜性能的影响。结果表明,随着BST填料的增多,BST/PVDF复合膜的介电常数不断增加,同时介电损耗也增加。在外场为600k V/cm时,填充量为20%的BST/PVDF复合膜综合性能较好,储能密度为4.328J?cm-3。其次,研究了Mn浓度为1~4%的Y/Mn-doped BST/PVDF(YMx/PVDF)复合膜和Y/Mn-doped BST@Zr O2/PVDF(YMx@Zr O2/PVDF)复合膜的介电及储能特性。对于YMx/PVDF,随着Mn浓度增加,复合膜的介电常数先增加再减小,介电损耗先减小再增加。在1k Hz时,样品YM3/PVDF的介电常数为19.3且介电损耗最小,为0.042。外场为600k V/cm时,YM3/PVDF复合膜的储能密度为4.885J?cm-3,为BST/PVDF的1.13倍,说明施受主共掺可以提高复合材料的储能密度。在此基础上,研究了YMx@Zr O2/PVDF复合膜的性能。在1k Hz时,YM3@Zr O2/PVDF复合膜的介电常数最大(18.4),介电损耗最小(0.020)。外场为600k V/cm时,YM3@Zr O2/PVDF复合膜的储能密度达到5.670J?cm-3,为BST/PVDF的1.31倍,说明粉体表面包覆氧化锆可以减小复合膜的介电损耗,进一步提升复合材料的储能密度。再次,研究了具有不同Mn掺杂浓度(0~5%)BST壳层的Y-BST@Mn-BST/PVDF(Y@Mx/PVDF)复合膜和Y-BST@Mn-BST@Zr O2/PVDF(Y@Mx@Zr O2/PVDF)复合膜的介电与储能特性。对于Y@Mx/PVDF,随着壳层中Mn浓度增加,复合膜的介电常数先增加后减少,但介电损耗变化很小。在1k Hz时,Y@M3/PVDF的介电常数最大(16.5),其介电损耗较小(0.027)。在外场为600k V/cm时,Y@M3/PVDF复合膜的储能密度为6.287J?cm-3,达到BST/PVDF的1.45倍,证明将BST粉体形成施受主掺杂的核壳结构增加了电场下的空间电荷指向性,实现了正负电荷的分离,可以明显提高复合膜的储能特性。在此基础上,进一步研究Y@Mx@Zr O2/PVDF复合膜的性能。在1k Hz时,Y@M3@Zr O2/PVDF的介电常数最大(20.9),介电损耗最小(0.024)。外场为600k V/cm时,Y@M3@Zr O2/PVDF复合膜的储能密度为7.555J?cm-3,达到BST/PVDF复合膜的1.75倍,进一步证明了在核壳结构的无机填料粉体表面包覆氧化锆可以增加复合膜的介电常数,减小介电损耗,显著提高复合膜的储能密度。
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