SiC-P（VDF-HFP）基纳米复合材料力学性能及高温储能特性研究

编号：CYYJ043985

篇名：SiC-P（VDF-HFP）基纳米复合材料力学性能及高温储能特性研究

作者：罗钟灿

关键词： 碳化硅; P(VDF-HFP); 杨氏模量; 热导率; 高温储能特性;

机构： 武汉理工大学

摘要： 静电电容器在储能领域具有广泛的应用前景,近年来新兴产业对静电电容器的工作温度提出了更严格的要求。铁电聚合物是目前应用广泛的介电储能基体材料,相对于具有高玻璃化转变温度的聚酰亚胺（PI）、聚酰醚亚胺（PEI）等聚合物,具有较高的介电常数和较低的成本。然而,有关于铁电聚合物耐高温性的研究尚缺乏足够的数据积累,无法为电介质材料高温应用提供更多的经验。基于聚合物在高温应用下的失效机理分析,本文从提升聚合物力学性能及热学性能的角度出发,通过有机-无机结构复合和功能复合的策略,采用SiC纳米晶须（SiC NWs）和SiC@BaTiO3核壳颗粒为多功能增强相,提高了P（VDF-HFP）的高温储能特性。具体研究内容及相关成果如下: （1）引入SiC NWs的三明治结构纳米复合材料具有更优异的力学性能与高温储能特性。通过乙酸对纳米晶须的表面改性,复合薄膜的力学性能有较大提升:样品0-0.9-0断裂伸长率由37%提高到94.6%;拉伸强度和杨氏模量分别达到43.8MPa和1.17 GPa,均是纯聚合物的1.67倍。同时,相对于纯聚合物,复合膜的面外热导率由0.052 W/（m·K）提升至0.119 W/（m·K）,玻璃化转变温度提升9.7℃。得益于力学性能和热稳定性的增强,0-0.9-0薄膜在90℃下击穿强度Eb达到2581kV/cm,增强了55.5%;最大放电储能密度Udis为3.89 J/cm3,是纯P（VDF-HFP）(1500 kV/cm,1.36 J/cm3)的2.84倍。 （2）高热导-高介电核壳填料的引入使得复合材料的力学性能与高温储能特性均得到明显增强。沿用乙酸表面改性工艺,填料与基体之间的相容性较好,所有复合膜（填料含量2.5～10 wt.%）的断裂伸长率均达到100%以上。其中性能最优的7.5 wt.%复合薄膜拉伸强度和杨氏模量分别达到21.2 MPa和224.1MPa,相对于纯聚合物,增幅达到15.8%和180%。通过COMSOL仿真分析了复合膜的增强热传导行为。进一步的热学测试表明,复合膜的热导率由6 W/（m·K）提升至6.43 W/（m·K）,玻璃化转变温度提升5.7℃。由于SiC@BaTiO3高导热高介电增强作用,7.5 wt.%复合薄膜的介电常数达到10.4,增强76.2%。在120℃时,材料的Eb达到1524.6 kV/cm,是P（VDF-HFP）的1.84倍。Udis值达到2.05 J/cm3,是纯聚合物（700 kV/cm,0.36 J/cm3）的5.69倍。