多形貌Ag@SiO2/PVDF高介电材料的制备及性能研究
Preparation and Properties of Multiform Ag@SiO2/PVDF with High Dielectric Properties
未来脉冲电容器需要介电材料具有高的工作电压,介电常数,能量密度及短期充电/放电次数等性能.单一种类的材料,如陶瓷或聚合物很难实现这一目标.虽然聚合物材料具有良好的柔韧性和加工性以及损耗低等优点,但其介电常数通常较低.目前在该领域,有机/无机复合材料,尤其是纳米改性聚合物基复合材料,凭借其功能强大的特性而备受关注.该类材料在保留聚合物材料优点的同时,能极大地提高材料的介电常数,在电子元器件领域具有可观的应用前景.本文首先采用溶液法,以硝酸银为原料,以聚乙烯吡咯烷酮为保护剂,制备了棒状、线状、球状和立方状四种种形貌的纳米银颗粒.系统分析了温度、反应时间、抑制剂种类和银源与保护剂的摩尔比等因素对Ag粒子形貌、尺寸的影响,获得了棒状、线状、球状和立方状Ag粒子的最佳制备工艺.实验结果表明:实验温度在150℃下,硝酸银与聚乙烯吡咯烷酮摩尔比为1:2,后反应时间为1 h时,所制备的球状Ag粒子直径约为50 nm;实验温度在150℃下,硝酸银与聚乙烯吡咯烷酮摩尔比为1:2,后反应时间为20 min,采用氯化钠为抑制剂时,立方体状Ag粒子的尺寸较大,其边长约为500 nm;实验温度在160℃下,硝酸银与聚乙烯吡咯烷酮摩尔比为1:2,后反应时间为1 h时,所制备的棒状Ag粒子直径为200 nm,长径比约为50;实验温度在160℃下,硝酸银与聚乙烯吡咯烷酮摩尔比为1:2,采用氯化铜为抑制剂,后反应时间为15 min时,制得的线状Ag粒子直径为100 nm,长径比约为200;透射电镜分析表明,当Ag粒子表面包覆SiO2后,其包覆层的厚度在1020nm之间.在此基础上,采用正硅酸乙酯为前驱体,使用溶胶-凝胶法对制备的不同形貌Ag粒子进行了包覆,制备出相应的核壳结构Ag@SiO2纳米粒子.并将其添加入聚偏氟乙烯(PVDF)柔性聚合物中,制备出一系列填料含量不同的Ag@SiO2/PVDF复合薄膜.对复合薄膜的结构性能等进行表征,探讨Ag@SiO2粒子的不同形貌及含量对复合薄膜的结构及性能的影响.XRD结果表明,Ag@SiO2粒子的引入促进了PVDF薄膜由多相共存向铁电性能优异的β相转变.宽频介电谱分析结果表明,复合薄膜的介电常数与Ag@SiO2核壳例子含量间呈正相关.在100 Hz的测试条件下,当填料含量达到20 wt%时,复合薄膜的介电常数由纯膜的7.61分别增至10.1(球状Ag@SiO2/PVDF)、11.7(立方体状Ag@SiO2/PVDF)、10.4(棒状Ag@SiO2/PVDF)和14(线状Ag@SiO2/PVDF).由此可见,在相似的形貌下,尺寸较大的粒子对复合薄膜介电性能的提高效果较为明显.其原因可能在于:粒子尺寸较大,更有利于在复合薄膜内部形成有效的介电网络,对粒子周围PVDF分子的极化作用更为明显,因此提高了复合薄膜的整体介电常数.实验结果进一步表明,复合薄膜的介电损耗与Ag@SiO2粒子的含量和形貌也存在明显的相关性.在100 Hz的测试条件下,当填料含量达到20 wt%时,复合薄膜的介电损耗由纯膜的0.008分别增至0.015(球状Ag@SiO2/PVDF)、0.051(立方体状Ag@SiO2/PVDF)、0.019(棒状Ag@SiO2/PVDF)和0.025(线状Ag@SiO2/PVDF).击穿场强测试结果表明,相比于纯PVDF薄膜,复合薄膜的击穿场强均有一定程度的提高.在20wt%Ag@SiO2含量下,击穿场强分别提高了53.7%,25.8%,32.6%和70.4%.在上述电性能测试结果的基础上,通过计算得到不同形貌Ag@SiO2粒子添加后,复合薄膜的最大储能密度分别为0.044 J/cm3,0.034 J/cm3,0.033 J/cm3和0.075J/cm3.
- 作者：
- 王小明
- 学位授予单位：
- 哈尔滨理工大学
- 专业名称：
- 高分子化学与物理
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2019年
- 导师姓名：
- 翁凌
- 中图分类号：
- TM531.2；TB383.2
- 关键词：
- 纳米银；核壳粒子；聚偏氟乙烯；复合薄膜；介电性能
- Silver nanoparticles; core-shell particles; polyvinylidene fluoride; composite films; dielectric properties;