二维材料填充基层状复合材料的制备与表征开题报告

全文总字数：6310字

1. 研究目的与意义（文献综述）

随着社会的不断发展和科学技术的进步，人们对能源的需求日趋上升，能源的储存与利用成为世界密切关注的热点。电容器作为一种新型储能设备，因其具有体积小，高储能密度，高充放电效率等特点，迅速成为能源储存与利用领域的研究关键^[1-6]。介电材料作为制备电容器的核心材料部件，对电容器的储能密度及充放电效率具有决定性影响。因此，近年来介电材料的制备及研究已经成为国内外学者的重点研究方向。

在外加电场的作用下，电介质材料的能量密度（u_e）可以由电场（e）和电位移(d)的积分面积来计算，即 。在线性近似下，其最大能量密度可表示为。其中：ε₀ 表示真空介电常数，ε_r表示相对介电常数，e_b表示击穿场强。因此，ε_r和e_b对于储能密度的提高至关重要^[7]。在日常应用中，无机陶瓷材料是常见的高介电常数材料（如在室温下，钛酸钡陶瓷材料的介电常数高达1400），但其击穿场强较低。另一方面，聚合物材料具有较高的击穿场强，但其介电常数相对较低。例如现今应用较为普遍的强极性聚合物pvdf，其在常温静电场中击穿场强高达2.3×10⁸ v/m，而介电常数仅为13^[8]。因此，研究者们将具有高ε_r的无机陶瓷材料作为填料，添加进具有高e_b的聚合物材料基体中，以此来制备具有高储能密度的聚合物基复合材料。

然而，由于无机填料和聚合物基体的电学特性存在较大差异，因此填料在聚合物基体中分散性和兼容性较差，容易出现团聚现象。更重要的是，复合材料的微观结构会影响复合材料内部局部电场的分布，进而影响其击穿路径和强度。所以，将两者进行简单复合不易提高复合材料的储能密度^[9]。因此，首先需要考虑复合材料的微观结构问题。相关研究表明：在外加电场的作用下，复合材料不同的微观结构，特别是纳米填料的不同维度和取向对击穿相生长的影响不同，进而影响复合材料的击穿强度。有学者针对该问题进行模拟：将五种纳米填料与聚合物基体复合进行击穿强度测试：（相对于外加电场方向，包括垂直纳米纤维、垂直纳米片、随机纳米颗粒、平行纳米纤维、平行纳米片），控制填料的质量分数均为10%。测得五种材料的击穿场强分别为：纯聚合物基体2.3×10⁸ v/m、垂直纳米纤维1.51×10⁸ v/m、垂直纳米片1.95×10⁸ v/m、随机纳米粒子2.16×10⁸ v/m、平行纳米纤维2.23×10⁸ v/m、平行纳米片3.1×10⁸ v/m。从测试结果可以看出，填料为平行纳米片的复合材料，其击穿场强最高。该学者认为，这可以从局部电场的分布来理解：垂直分布的纳米纤维使局部电场更加集中，这就促进了击穿相的生长。然而，平行纳米片使局部电场趋于分散，从而阻碍了击穿相的生长^[7]。又由公式 可知，击穿场强为二次方项，其对储能密度的影响更大，因此填料为平行纳米片的复合材料可以获得更高的储能密度^[10]。所以研究二维材料填充基层状复合材料的制备与表征对于制备高储能密度的介电材料具有重要的意义^[11-12]。

2. 研究的基本内容与方案

1. 研究基本内容：毕业论文以调研新型层状复合电介质材料为主要训练目标，其中二维纳米片为填料，pvdf及其它聚合物为基体。重点研究纳米片填料含量及其在聚合物基体中的取向分布对复合材料的高介电响应和热导率的影响。

2. 研究目标：

1.文献调研，了解国内外相关研究概况和发展趋势，了解选题与社会、健康、安全、成本以及环境等因素的关系；

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4－7周：按照设计方案，调研二维材料填充基层状复合材料的研究。涵盖sem，tem和ft-ir等测试手段对这类复合材料的微观结构进行表征与分析。

第8－11周：归纳调研二维材料填充基层状复合材料的介电特性进行表征与分析。总结复合材料的高介电响应，击穿场强与二维填料含量之间的关系。

4. 参考文献（12篇以上）

1. peng x, xu w, chen l, et al.polyimide complexes with high dielectric performance: toward polymer film capacitor application[j]. journal of materials chemistry c, 2016, 4(27): 6452-6456.

2. mishra p, kumar p. dielectric properties of 0.25 (bzt-bct)-0.75 [(1-x)-pvdf-xccto] (x=0.02, 0.04, 0.06, 0.08 and 0.1) composites for embedded capacitor application[j]. composites science and technology, 2013, 88(10): 26-32.

3. deshmukh k, joshi g m. embedded capacitor application of graphene oxide reinforced poly(3,4-ethylendioxythiophene)-tetramethacrylate (pedot-tma) composites[j]. journal of materials science materials in electronics, 2015, 26(8): 5896-5909.

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