二维陶瓷纳米片/聚合物复合电介质的制备与性能研究开题报告

全文总字数：5938字

1. 研究目的与意义（文献综述）

电容器包括超级电容器和介电电容器，它具有快速储存和输出电能、功率密度高、循环寿命长等优点，在国民经济和工业生产中有着广泛的应用^[1-3]。介电电容器因为其高功率密度、低损耗和高工作电压等优势广泛应用于电子电力系统、能源系统和武器系统等领域^[4-5]。随着电容器行业的发展，如何得到高储能密度、低能量损耗的介电电容器被广泛关注。在目前的研究中，陶瓷材料为电介质的电容器以其高介电常数著称；聚合物电解质则有易于加工，柔性好和击穿强度高等优势。但是，无论哪种电介质都难以同时兼具高介电常数和高击穿强度。为解决这一问题，人们开始研究以聚合物为基体、无机材料为填料的聚合物纳米复合电介质材料，以寻求大的突破^[6-9]。

前人在高击穿介电薄膜中添加高介电纳米颗粒，发现材料的介电常数随着添加量的增加有明显的提升。arup choudhury^[11]向pei(polyetherimide)中添加bto(batio₃)纳米颗粒，在50vol%添加量时，体系介电常数高达37(1khz)，是纯pei的12倍。chia-ching wu^[12]把bstz((ba_0.8sr_0.2)(ti_0.9zr_0.1)o₃)添加到pei中，体系的介电和机械性能都得到提升。在50wt%添加量时，材料杨氏模量从原来的1.51gpa提升到2.38gpa；在70wt%添加量时，介电常数达到20.28。但随着介电常数的提高，体系的击穿强度也有下降。这是由于纳米颗粒填料的含量增多而导致缺陷的增加，使击穿降低、损耗增多^[10]。

为降低填料对击穿强度的影响，人们通过添加纳米纤维或二维纳米片的方法来实现。zhang等人^[13]通过向pvdf(polyvinylidene fluoride)中添加bto@to(tio₂)复合纳米纤维，并与单独添加bto纳米颗粒和to纳米纤维的两种情况进行对比，发现在提高介电常数方面，bto@to相比于另外两种材料有明显的优势；在击穿方面，bto@to在一定的体积分数范围内(3vol%)可以提升击穿强度，这种介电常数和击穿得到同时提升的性质是bto和to做不到的，最终得到能量密度高达20j/cm³的复合材料。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容

1.材料的制备：把bn纳米片和ca₂nanb₄o₁₃纳米片经过处理后和pei进行复合，流延得到复合薄膜。

2.材料的表征：通过红外光谱，sem验证二维纳米片是否成功改性；通过sem观察复合薄膜的形貌，查看是否平整均一；对薄膜的介电及储能性能进行表征，验证是否如实验设计目的符合，并分析结果。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4－11周：按照设计方案，制备二维陶瓷纳米片填充的聚合物纳米复合电介质薄膜。

第12－14周：完成聚合纳米复合薄膜材料的介电与储能性能测试。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]李云明. 柔性固态电容器电极的构建与性能研究[d].中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院),2018.

[2] q. chen, y.shen, s. zhang, et al. polymer-based dielectrics with high energy storagedensity[j]. annual review of materials research, 2015, 45(1): 433-458.

[3]prateek,v. k.thakur,r. k.gupta.recent progressonferroelectric polymer-based nanocomposites for high energy density capacitors:synthesis, dielectric properties, and future aspects [j]. chemical reviews,2016, 116(7): 4260-4317.