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高能量密度储存电容器因在可控条件下可以储存和释放充足的电量而引起广泛关注,在便携电子产品、混合动力汽车和脉冲电源等诸多领域具有重要的应用价值。根据电容器理论,电容器的能量储存密度主要取决于电介质材料,因此,制备高性能的电介质材料是该领域面临的关键挑战。近年来,将碳纤维、碳纳米管和石墨烯等纳米碳材料填充进聚合物基体中制备复合材料已经成为电介质材料研究领域的热点之一。然而,纳米碳材料的团聚和直接接触问题以及其与聚合物基体较差的相容性严重影响了均匀复合材料的形成,进而限制了该类材料介电性能的提高。在本文中,我们采用水热法和静电纺丝技术分别制备了非晶碳包裹碳纳米管的核壳结构(MWCNT@AC)和碳化的聚丙烯腈/聚乙二醇混纺纤维(CPCFs)两种新型的纳米碳材料。随后,我们将这两种新型的纳米碳材料填充进聚偏氟乙烯基体中制备了复合材料,并系统地研究了两类复合材料的电学性能和介电性能。(1)我们采用水热反应制备了新型碳纳米管@非晶碳核壳结构。TEM分析结果表明:在该核壳结构中碳纳米管被厚度仅为2纳米的非晶碳层完全包覆。而红外分析结果则表明:相比于本征的碳纳米管,碳纳米管@非晶碳核壳结构在未出现新特征峰的情况下,其在溶液中的分散性得到显著提高。碳纳米管@非晶碳核壳结构分散性的提高主要归因于非晶碳层的隔离作用,而分散性的提高也有利于均匀复合材料的形成。(2)我们采用溶液混合和冷压技术分别制备了不同填充量的碳纳米管@非晶碳/聚偏氟乙烯复合材料和碳纳米管/聚偏氟乙烯复合材料。电学性能的测试结果表明:相比于碳纳米管/聚偏氟乙烯复合材料,碳纳米管@非晶碳/聚偏氟乙烯复合材料的渗流阈值从1.01 vol%提高到8.53 vol%。渗流阈值的提高极大地改变了复合材料的电学性能和介电性能。一方面,渗流阈值的提高使得在相同的填充量下碳纳米管@非晶碳/聚偏氟乙烯复合材料的电导率远低于碳纳米管/聚偏氟乙烯复合材料的电导率。另一方面,渗流阈值的提高也使得碳纳米管@非晶碳/聚偏氟乙烯复合材料的介电性能得到明显提升。在介电损耗为2的情况下,碳纳米管@非晶碳/聚偏氟乙烯复合材料的介电常数可以达到5910,相比于碳纳米管/聚偏氟乙烯复合材料的最大介电常数(ε=1040)提高了5倍。(3)我们利用静电纺丝技术合成了新型的碳化聚丙烯腈/聚乙二醇混纺纤维,并以其为填料来提高聚偏氟乙烯基复合材料的介电性能。这种新型碳纤维CPCFs的表面含有丰富的氮元素(8.55%)和氧元素(3.94%),与传统的碳纤维明显不同。我们利用分子动力学模拟的方法研究了氮元素和氧元素的存在对CPCFs与PVDF之间相互作用能的影响,结果表明这些元素的存在将CPCFs与PVDF之间的相互作用能从-45.13 Kcal/mol提高到-62.22 Kcal/mol。CPCFs与PVDF之间相互作用能的提高有利于导电的CPCFs被均匀地分散到PVDF基体中形成超薄的微电容器结构,进而显著提高了复合材料介电性能。介电性能的测试结果表明:CPCFs/PVDF复合材料的最大介电常数在1 kHz下可达1583,这一数值相对于纯的PVDF基体提高了150倍。