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基于解耦调节粒子内快极化及粒子间慢极化协同提升 复合材料介电性能的策略和机制

发布日期:2021-09-01     作者:     浏览数:    分享到:

化学与化工学院先进电工材料研究中心在全球储能材料领域的著名刊物 Energy Storage Materials (2020, IF=17.78), 2021,42,1-11上发表了题为Decoupling of inter-particle polarization and intra-particle polarization in core-shell structured nanocomposites towards improved dielectric performance的研究论文。

高介低损电介质材料在广泛应用于微电子器件、电力电缆、智能电网、储能、柔性电子、水下航行及监控、非破坏性测试等领域。

基于核壳结构策略在显著降低导体粒子/聚合物体系的损耗同时,也明显抑制和减少了介电常数,损耗降低往往以减少体系的介电常数为代价的,也有零星报道由于多层壳间的极化增强效应带来了体系介电常数的额外升高,但相比未包覆粒子而言介电常数下降是主流。由此引出一个多年来很少探究的问题,核壳结构粒子是否最终利于改善体系的介电性能?同样,粒子含量也对介电性能有影响,降低含量可有效降低损耗。因此,厚壳和高含量粒子同薄壳、低含量粒子2个因素相比,那个因素更利于改善体系的介电性能?所以,就提升复合材料的整体介电性能而言,核壳结构的本质作用是什么,如何在最佳壳厚度处介电性能获得同步提升。目前对如上问题仍缺乏物理解释和深入研究。

针对此问题,我们设计和制备了系列含不同厚度及结构(非晶及晶体)的氧化铝外壳的核壳结构铝粒子,和聚偏氟乙烯复合后,研究了填料含量及外壳结构对纳米复合材料的结构及介电性能影响。晶体氧化铝外壳对纳米复合材料的低场及高场介电性能的影响结果表明,绝缘壳的引入绝非仅仅降低了损耗,Al@Al2O3/PVDF的高介电常数主要源自粒子内的快速极化(粒子内的电子极化)和粒子间的慢极化(粒子间的电子迁移),相比常规逾渗体系中2类极化的耦合关系和不能协同调节状况,本研究中的构筑的Al2O3晶体外壳利于独立或解耦控制2类不同的快、慢极化模式。通过改变填料含量及外壳结构促进粒子内的快极化,抑制粒子间的慢极化,核壳结构纳米复合材料能获得同步的高介电常数及低损耗,介电性能远超过表面未改性粒子体系的。此外,随着非晶氧化铝外壳转化为晶体结构,复合粒子的热导率逐步提高,纳米复合材料的导热性能及高电场下的绝缘电阻相应得到提高和改善,使得在高电压下运行的材料因良好的散热效果及高绝缘特性而处于安全和稳定的低温环境,部分实验结果见图5-79所示。本研究结果为设计同步具备高介电常数、低损耗及良好热机械性能的逾渗复合材料提供了有益参考。

本研究工作由西安科技大学、美国宾夕法尼亚州立大学材料研究所、美国Poly K公司,清华大学电机系合作完成,西安科技大学先进电工材料研究中心为该文第一作者单位及通讯作者。本研究得到国家自然科学基金(51577154, 51937007)资助。

 

 

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