纳米复合材料导热与介电性能仿真

以纳米复合材料作为研究体系,选取典型的氮化硼（BN）/环氧树脂（EP）复合材料与钛酸钡（BT）/聚偏氟乙烯（PVDF）复合材料,通过有限元方法研究了纳米填料的体积分数、粒径大小和尺寸分布对复合材料导热性能和介电性能的影响,采用均匀场理论计算了复合材料的等效热导率和等效介电常数。结果表明：随着填料体积分数的提高,BN/EP和BT/PVDF的热导率和介电常数均提高;在相同体积分数、尺寸均匀分布的情况下,BN/EP和BT/PVDF的热导率和介电常数随着粒径增大而增大;在相同体积分数、同一粒径的情况下,BN/EP和BT/PVDF的热导率和介电常数随着粒径标准差增大而增大。因此,根据具体需求适当改变填料含量、粒径大小、粒径标准差是改善材料性能的有效方法。     

高介电常数的聚合物基纳米复合电介质材料

高介电常数的聚合物基电介质材料无论是在电力工程,还是在微电子行业都具有十分重要的作用。研究中主要以聚偏氟乙烯(PVDF)为基体,以纳米和微米尺度的高介电常数的铁电陶瓷钛酸钡(BT)的前驱体粉末为功能添加组分,采用特殊的工艺制备了高介电常数的聚合物基纳米功能电介质复合材料。研究了制备工艺、添加物含量、以及微米/纳米BT的体积比等因素对复合电介质材料介电性能的影响。发现在无水乙醇中,通过纳米BT与PVDF颗粒之间强烈的吸附作用以及热模压工艺,可以制备高度分散性的BT/PVDF纳米复合材料。同时通过合理的组合微米/纳米BT的体积比,在BT同样的体积含量时,微米/纳米BT的共混物对复合材料介电性能的提高有明显协同效应。利用该效应可以制备介电常数高的聚合物基电介质材料。     

环氧/纳米铝片复合材料的介电与导热性能研究

以环氧树脂为基体、纳米铝片为填料,通过自转-公转混合技术制备了环氧/纳米铝片复合材料。采用扫描电子显微镜、宽频介电谱仪和导热仪分别研究了复合材料的微观结构、介电性能以及导热系数。结果表明:纳米铝片在复合材料的面内方向具有一定取向;复合材料的介电常数和导热系数相对于纯环氧树脂均获得了大幅提高。当纳米铝片的体积分数为50%时,复合材料的介电常数和导热系数相对于纯环氧树脂分别提高了约36倍和15倍。     

聚乙烯/氮化硼高导热复合材料的耐电弧性和介电性能

聚乙烯是一种重要的绝缘材料,但较低的热导率限制了其进一步应用。向聚乙烯基体中添加高导热无机颗粒可有效提高复合材料整体的热导率,同时会对其耐电弧性和介电性能产生影响。鉴于此,分别以微米氮化硼和微纳米混合氮化硼颗粒作为填料,制备了不同填料质量分数的两类聚乙烯/氮化硼复合材料。除了对各复合试样的热导率进行测量,还通过高压电弧起痕实验分析了各试样热导率对其耐电弧性的影响,最后对各试样的相对介电常数和交流击穿强度进行了评估。结果表明:当氮化硼填料的质量分数由0增加至40%,复合试样的热导率不断增大,耐电弧性随之增强。但是基体中填料质量分数较高时(20%),复合试样的相对介电常数明显增大、交流击穿强度显著下降。此外,基体中填料的质量分数相同时,微纳米混合氮化硼颗粒填充的复合试样具有更优异的导热性能、耐电弧性和介电性能。     

BT-CNT复合颗粒填充聚偏二氟乙烯介电性能的研究

利用机械球磨法制备了钛酸钡表面负载碳纳米管的复合颗粒BT-CNT,将其填充到聚偏二氟乙烯中制备了三相复合材料(BT-CNT/PVDF),研究BT-CNT对该复合材料介电性能的影响。结果表明:随着BT-CNT质量分数的增加,复合材料的介电常数显著增加,而介质损耗及电导率仍保持在较低值,复合材料在BT-CNT质量分数为50%时未出现典型的渗流效应。介电常数的增加主要源于导电性CNT引起的界面极化,而长的CNT经机械球磨在BT表面形成较短的CNT片段,静电吸附于BT表面,难以在整个复合材料中形成导电性渗流网络。复合材料的介电常数随测试温度的升高而增大,这是由于温度升高导致更强烈的界面极化。     

多壁碳纳米管对聚合物/钛酸钡纳米复合材料的介电与导热性能的影响

将多壁碳纳米管加入到纳米钛酸钡体积分数为40%的乙烯-羧酸乙烯酯复合材料中,制得了三相纳米复合材料,研究了复合材料的形貌以及多壁碳纳米管对复合材料介电常数、逾渗阈值、介电松弛和导热性能的影响。结果表明：多壁碳纳米管的加入能显著提高复合材料的介电常数和导热系数。     

钛酸钡粒度分布及含量对聚偏氟乙烯基复合材料性能的影响

采用溶液共混法制备了钛酸钡/聚偏氟乙烯(BT/PVDF)复合材料,研究了BT粒度分布及含量对复合材料介电性能、电气强度、储能性能和热稳定性的影响.结果表明:相较于单一粒径BT,双粒径BT共同填充的协同作用使复合材料具有更加优异的综合性能,且协同作用在两种粒径的BT等质量比时表现最为显著.随着填料含量的增加,复合材料的介电常数增大,热稳定性提升,介质损耗因数保持在相对较低的水平.当BT质量分数为60％,两种粒径BT的质量比为5:5时,复合材料在100 Hz的介电常数达到46.5,是纯PVDF的5倍;其储能密度与极化强度分别为0.18 J/cm3和0.0119 C/m2,相比纯PVDF分别提高了176％和310％.热失重5％的分解温度达到478.4℃,分别比S-BT和L-BT单独填充的PVDF基复合材料提高了1.3℃和30.3℃.     

ZIF-67/PVDF复合薄膜的制备及介电性能

改善介电电容器性能是满足电路元器件微型化和集成化需求的有效方法之一，如何提高介电复合材料的介电性能引起了研究者们的广泛关注。本文以聚偏氟乙烯（PVDF）为基体，金属有机框架物（MOFs）ZIF-67为填料，通过流延涂膜制备了一系列ZIF-67/PVDF复合薄膜材料，探究MOFs对PVDF基复合材料的微观结构及宏观性能影响。结果表明：ZIF-67可以诱导PVDF生成更多β相，促进基体极化，提高复合材料的力学性能和介电性能。当填料质量分数为5%时，ZIF-67/PVDF复合薄膜40℃下的杨氏模量为1 200 MPa,击穿场强为139.74 kV/mm，两者相较于纯PVDF薄膜均有增长；100 Hz下的介电常数为10.39，比纯PVDF薄膜提高了35.29%，并且能保持较低的介质损耗。     

高储能密度全有机复合薄膜介质材料的研究

电容器储能以其轻便、高效、环保等特点正在逐步引起人们的重视。为制备高储能密度的电容器介质材料,研究以聚偏氟乙烯(PVDF)为基体,以纳米尺度的导电聚苯胺(PANI)为填料,采用溶液法及后续的球磨工艺制备了高储能密度的全有机复合薄膜介质材料。研究了添加物含量、频率等因素对复合介质材料介电性能的影响。发现当PANI体积分数达到0.05时(略高于渗流阈值fC=0.041),复合薄膜的介电常数在100 Hz条件下高达456,击穿场强为60 MV/m,储能密度达到了7.2 J/cm3,与PVDF基体相比提高了3倍多。另外还发现即使在渗流阈值附近,复合薄膜介电性能仍具有一定的频率稳定性。介电常数在低频范围(102~104Hz)内基本保持不变。利用SEM对复合薄膜的表面形貌进行了分析,发现有机填料PANI粒子在PVDF基体内有很好的分散性。另外利用XRD分析了复合薄膜的晶体结构,发现该制备工艺条件下所得复合材料基体主要以β-PVDF形式存在,这有助于发挥PVDF基体的功能性。渗流阈值理论可用来解释介电常数随添加物含量和频率的变化规律。研究结果表明,该制备工艺可得到适用于较宽频率范围的高储能密度复合薄膜。     

聚四氟乙烯/纳米碳化硅改性复合材料的制备及其介电特性

以纳米碳化硅为填充剂,通过填充改性的方法制备了纳米碳化硅改性的聚四氟乙烯复合材料.通过扫描电镜观察复合材料的微观结构,以了解纳米碳化硅颗粒的粒度分布.测试复合材料的介电性能和体积电导率,结果表明,加入纳米碳化硅改性后,复合材料的介电常数、介质损耗因数、体积电导率随着改性剂添加量的增加而上升.分析复合材料的性能随改性剂添加量的变化规律.在此基础上,探讨纳米SiC改性聚四氟乙烯的机理.     

锆钛酸钡/聚丙烯纳米复合介质的电学性能及储能特性研究

聚丙烯(PP)过低的介电常数已经无法满足下一代电力电容器对于高储能密度电介质材料的需求。制备具有高介电常数的纳米复合介质是有望提高电介质材料储能密度的有效手段。本文以PP为基体,以锆钛酸钡(BaZr_0.2Ti_0.8O₃,简称BZT)纳米颗粒为无机填料,制备BZT/PP复合介质,并利用硅烷偶联剂KH550与马来酸酐(MAH)之间的共价键作用提高纳米颗粒在聚合物基体中的分散性。对复合介质的微观形貌及晶体结构进行表征,并系统研究复合介质的介电性能、直流电气强度及储能密度。结果表明：BZT纳米颗粒在聚丙烯基体中分散均匀,并且显著提升了复合介质的介电性能与储能特性,BZT质量分数为15%的复合介质具有3.19(0.1 Hz)的介电常数,相比纯PP的介电常数提高了40.5%,并且介质损耗因数保持在10^-2数量级的较低水平。在储能密度方面,当BZT质量分数为5%时,复合介质的最大储能密度为2.008 J/cm³,相比于纯PP(1.775 J/cm³)提升了13.1%。     

添加二氧化硅纳米颗粒对环氧树脂介电和空间电荷特性的影响

为研究纳米颗粒对环氧树脂(epoxy resin,ER)介电和空间电荷特性的影响,以环氧树脂为基体材料,纳米二氧化硅(silicon dioxide,SiO_2)为填料,制备了SiO_2纳米颗粒质量分数在0～5%范围内的ER/SiO_2纳米复合电介质。测试和研究了复合电介质在不同频率下的介电特性和直流场强为33 k V/mm下的空间电荷行为。当SiO_2纳米颗粒的质量分数为0.5%和1%时,复合电介质可以获得较低的介电常数和介质损耗,同时有效抑制了同极性空间电荷在电极界面处的积累及注入;当SiO_2纳米颗粒的质量分数为2.5%和5%时,复合电介质在低频区域介电常数和介质损耗均比纯环氧树脂高,但在高频区域变化不明显,同时在电极界面处的空间电荷积累显著增加、注入明显。研究结果表明:纳米颗粒含量较低时ER/SiO_2复合电介质介电和空间电荷性能得到提高,是由于受到环氧树脂基体和纳米粒子之间的界面区影响,界面区是改善环氧树脂纳米复合材料电性能的关键因素。     

聚丙烯/聚偏氟乙烯共混复合材料的介电性能的研究

研究了高介电常数的聚偏氟乙烯(PVDF)共混改性聚丙烯(PP)以提高PP的介电性能.分析了PVDF含量、加入的聚丙烯接枝马来酸酐(PP-g-MAH)增容剂和拉伸等因素对PP/PVDF复合材料介电性能的影响.采用SEM和DSC等方法研究了复合材料的界面性能.结果显示,聚偏氟乙烯(PVDF)及增容剂的加入能够提高PP/PVDF的介电性能,拉伸由于能促进β相PVDF的生成,同样可以有效地提高复合材料的介电常数.     

Ag@MoS2/P(VDF-HFP)电介质复合材料的制备及性能研究

采用两步水热法制备了高长径比核-壳结构Ag@MoS_2纳米线,以P(VDF-HFP)为基体、Ag@MoS_2纳米线作为填料,在不同填充量下通过溶液共混和流延法制备了复合材料薄膜。采用SEM、TEM、XRD、XPS等对Ag@MoS_2的微观结构、尺寸、化学成分进行表征,并利用SEM和阻抗分析仪对复合材料的微观形貌和介电性能进行表征。结果表明:Ag@MoS_2填料在聚合物基体中分散均匀,且两相之间的界面结合效果良好。随着填料含量的增加,复合材料的介电常数逐渐增大,当Ag@MoS_2的质量分数为35%时,1 kHz下复合材料的介电常数为67.2,介质损耗因数仅为0.15,且复合材料的介电常数和介质损耗呈现出较弱的频率依赖性。     

氧化铝@钛酸铜钙/聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)复合材料的制备与介电性能研究

采用水热法合成线型钛酸铜钙,并在其表面包覆一层氧化铝薄膜,以聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)作为基体,制备了纳米复合材料,研究了颗粒形貌和填充量对复合材料介电性能和储能性能的影响。结果表明:表面包覆氧化铝的线型钛酸铜钙在聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)基体中有较好的分散性,可以有效提高复合材料的介电常数,同时保持复合材料低的介质损耗;当表面包覆氧化铝的线型钛酸铜钙体积分数为5%时,复合材料的最大储能密度达到1.67 J/cm~3;线型钛酸铜钙制备的复合材料比颗粒状钛酸铜钙制备的复合材料具有更加优异的介电性能及储能性能。     

高介电常数低介电损耗PEG@graphene/PVDF复合材料的制备及性能研究

将单端氨基化聚乙二醇(PEG-NH2)接枝的石墨烯填充到聚偏氟乙烯(PVDF)基体中,通过溶液法制备了PEG@graphene/PVDF纳米复合材料,并借助扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、热重分析(TGA)以及阻抗分析仪等手段对复合材料的结构形貌及介电性能进行了分析表证。研究表明:改性的石墨烯具有较好的溶剂稳定性,能均匀分散在PVDF基体中,与基体界面结合良好;具有核壳结构的PEG@graphene有效提高了PVDF复合材料的介电常数,降低了介电损耗。PEG@graphene/PVDF质量分数3%复合材料的介电常数高达137,介电损耗为0.29(50 Hz)。     

一步法制备PANI@Ag纳米纤维及其PVDF基复合膜介电性能研究

通过采用一步法制备了聚苯胺@银纳米复合纤维,并以此作为填充相,采用流延法制备了聚苯胺@银/聚偏氟乙烯(PANI@Ag/PVDF)高介电复合薄膜。结果表明,PANI@Ag复合纤维的形貌均一,直径约100 nm。在103 Hz,随着填充量的增加,复合膜的介电常数先增加后下降,但介电损耗仍急剧增加,在10%(质量分数)时已高达0.84。填充量6%(质量分数)时,PANI@Ag/PVDF复合膜介电常数达47,介电损耗仅为0.39。不同填充量的复合膜介电性能具有良好的频率稳定性,特别是在105~107 Hz之间,介电损耗值都较低,且都趋向于0.1~0.2之间。该PANI@Ag/PVDF复合材料在高性能的柔性电子器件和柔性储能材料领域具有潜在应用前景。     

芳纶纳米纤维/钛酸钡纳米纤维复合电介质薄膜制备与介电性能研究

选用芳纶纳米纤维（ANF）作为耐高温基体,并填充钛酸钡纳米纤维（BTNF）制备ANF/BTNF纸基复合薄膜,研究不同BTNF填充量对复合薄膜介电性能的影响。结果表明：ANF/BTNF复合薄膜的厚度约为10μm。当BTNF质量分数为0～20%时,随着BTNF填充量的增加,复合薄膜的介电常数和电气强度均提升。当BTNF的质量分数增大到40%时,复合薄膜的介电常数显著提升,但是在高频区快速降低,介质损耗因数显著增大,同时复合薄膜的电气强度略微下降。因此,BTNF质量分数为20%的ANF/20BTNF复合薄膜综合介电性能最佳,在1 kHz时介电常数达到4.78,电气强度为8.90 kV/mm。     

聚苯乙烯/纳米碳化硅晶须复合材料的制备

采用钛酸酯偶联剂(NDZ-105)对纳米β-碳化硅晶须(β-SiCw)进行表面改性处理,通过粉末共混-模压成型制备PS/SiCw纳米复合材料。探讨了SiCw用量和NDZ-105处理对复合材料力学、耐热性和介电性能的影响。结果表明,复合材料的力学性能随SiCw用量的增加而提高,当SiCw的质量分数为3%时,综合力学性能最佳;表面改性有助于进一步提高材料的力学性能;热失重分析表明SiCw的加入使PS的耐热性提高;介电性能分析表明复合材料的介电常数随SiC用量的增加而增加。     

环氧树脂/蒙脱土纳米复合材料的介电性能研究

采用插层聚合法制备了环氧树脂(EP)／蒙脱土(MMT)纳米复合材料,用X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)研究了该纳米复合材料的结构,并用阻抗分析仪等研究了其介电性能。结果表明：EP／MMT纳米复合材料的介电常数和介电损耗随有机蒙脱土质量分数的增加有一个最低值,介电常数随频率的升高而降低,纳米复合材料的介电损耗在高频阶段保持稳定。