N-型半导体高分子填料对全有机聚合物薄膜的介电和储能性能影响的研究

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全有机介电材料具有良好的加工性能、柔韧性能以及极佳的电性能在能源领域中具有良好的发展前景。然而,低介电常数和低储能密度限制了它的发展。单一聚合物的储能性能不能满足日益增长的工业需求。高能量密度的获得离不开高的介电常数和击穿强度。因此,如何提高聚合物的介电常数和击穿强度成为获得高能量密度的关键。目前,制备聚合物基介电有机复合材料(聚合物合金)是一种解决聚合物低介电常数和低储能密度的有效策略。n型半导体聚合物-聚(N-丙烯酰基氧乙基-N’-十二烷基胺-1,6,7,12-四氯-3,4,9,10-苝二酰亚胺)(PPDI)由于具有较高的电子迁移率、良好的溶解加工性能和易于合成等特点。因此,该聚合物有可能成为极佳的聚合物基介电复合材料的有机填料。因此,本论文首次将n型半导体(PPDI)分别引入到铁电聚合物(聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯-氯三氟乙烯),PVTC)和耐高温的线性电介质(聚醚酰亚胺,PEI)中,以此获得高介电常数的电介质材料或高能量密度和高效率的耐高温电介质材料。具体的研究内容如下:第一部分,通过一系列有机反应,合成出n型半导体聚合物PPDI。进一步,通过溶液浇铸法,制备出一系列不同质量分数PPDI的弛豫铁电聚合物(PVTC)基有机复合材料。通过阻抗分析仪和铁电分析仪,详细研究了n型半导体聚合物的含量对PPDI/PVTC共混物的介电和储能性能的影响。实验结果表明,当含量低于3 wt%时,随着聚合物PPDI含量的增加,聚合物共混物的介电常数(εr)在100 Hz下从25增加到33。然后,随着浓度从3 wt%增加到40 wt%,从33降低到7。聚合物共混物的介电性能的变化规律与有机填料的分散性和界面极化有关。另外,所有聚合物共混薄膜表现出低的介电损耗。在电场强度为200 k V/mm下,4.5 wt%PPDI/PVTC共混膜的最大放电能量密度达到4.02 J/cm~3。第二部分,为了研究n型半导体聚合物的含量对PEI基有机共混薄的介电和储能性能的影响,通过溶液共混法,制备了一系列不同质量分数的PPDI/PEI共混薄膜,并且,考察了温度对复合薄膜介电和储能性能的影响以及循环次数对材料稳定性的影响。研究结果表明:在10~3Hz和室温时,4 wt%PPDI/PEI的介电常数最大,达到7。在150℃时,3 wt%PPDI/PEI的介电常数依然稳定在5左右。在100℃时,1 wt%PPDI/PEI的能量效率有82%,储能密度有5.12 J/cm~3。本论文揭示了n型半导体聚合物填料对铁电电介质与耐高温线性电介质介电与储能的影响规律。同时,本论文为实现高介电常数,低介电损耗,高储能密度的新型介电材料提供了新的思路。
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