柔性铁电聚合物基二硫化钼复合材料的制备及其电学性能研究

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高介电材料由于其在电子电气以及军事领域方面(如静电电容器、场效应晶体管和一些先进武器等)的广泛应用受到了越来越密切的关注,对推动高科技和国民经济的发展起到了至关重要的作用。聚合物材料由于其柔性和易加工性而成为有潜力的介电材料。目前除了通过制备具有高介电常数的聚合物的策略外,高聚物基复合材料的制备策略也被广泛应用,比如聚合物与纳米陶瓷材料(如钛酸钡、二氧化钛和钛酸锶等)复合、聚合物与导电填料(石墨烯、碳纳米管等)复合构建逾渗体系等。以上复合材料同时具备聚合物和填料的优点,实现了高介电常数特性,但也伴随着加工性能较差,击穿强度低等缺点,进而导致材料储能密度较低。本论文通过合成超结构二硫化钼以及核壳结构的搭建成功制备了柔性聚合物基二硫化钼复合材料,首次研究了半导体材料二硫化钼对聚合物基复合材料电学性能的影响。实验过程中我们首先根据超结构二硫化钼的形貌可控性通过水热法合成了绣球花状和簇状等不同形貌的超结构二硫化钼,然后将其与聚偏氟乙烯复配制得了具有高介电常数和高储能密度的复合材料。二硫化钼作为一种层状结构的半导体材料,具有带隙明显,介电常数可调的特性,因此可以作为调节高聚物复合材料介电性能非常有潜力的填料。实验过程中制备超结构二硫化钼来取代二硫化钼纳米片,充分利用了其可重复性大量生产的优点,首次成功研究出聚合物基超结构二硫化钼复合材料具有优异介电性能的结果,并且由于高含量的超结构二硫化钼会与聚合物形成类逾渗体系,影响其耐高压的能力,所以本文研究了较低含量下超结构二硫化钼对复合材料储能密度的影响,发现低含量的超结构二硫化钼可以明显提高复合材料的储能密度,为制备高储能密度聚合物基复合材料提供了新的思路。接下来我们研究了核壳结构填料对复合材料介电和储能性质的影响。实验过程中制备了有机物和无机物掺杂的核壳结构填料F-TiO2@MoS2@MRF,然后将其与聚偏氟乙烯-六氟丙烯共混制备具有优异介电和储能性质的复合材料。在该体系中核层的MoS2@MRF作为电极材料,壳层的含氟二氧化钛作为优异的电介质材料,构建了微电容器模型,同时含氟二氧化钛呈规则的二维片状结构,较大的表面积有效阻隔了空间电荷载流子,抑制了泄露电流。另一方面,核壳结构的填料与聚合物基体之间实现了介电常数的阶梯分布,有效调节了复合材料体系的介电常数,从而提高了其耐击穿性能,实现了较高的储能密度。本部分实验设计过程中考虑到填料与聚合物基体之间相容性会很大程度影响复合材料性能的因素,制得的壳层二氧化钛纳米片表面含有大量的氟元素,提高了体系内部的界面形容性,显著改善复合材料的介电性能。该部分内容为通过合成核壳结构填料实现复合材料优异的介电和储能性质研究提供了新的实验方案。
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