金属负载多孔钛酸钡的制备及其在复合材料中的应用研究

来源 :北京化工大学 | 被引量 : 3次 | 上传用户:zhyoua
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本文从制备多孔钛酸钡(BaTiO3)粉体出发,在其上负载纳米Ni颗粒并经表面改性后,采用溶液浇铸法制备成BaTiO3/PVDF复合材料,系统研究了添加改性BaTiO3和纳米Ni对复合材料电性能的影响。利用先进测量手段对多孔BaTiO3粉体和BaTiO3/PVDF复合材料进行形貌表征、相态分析以及介电性能测试,获得了提高BaTiO3/PVDF复合材料储能密度的较优材料组成,并探讨了提高复合材料电性能的机理。采用溶胶-凝胶法,以P123为模板剂,在100 nm实心BaTiO3表面形成多孑LBaTiO3层。研究了P123用量和反应溶液pH对多孔BaTiO3颗粒形貌的影响,当P123浓度为11-14 wt%和pH为3-3.5时,制备出粒径约为120 nm且孔径约为5-30 nm的多孔BaTiO3颗粒,采用多次浸渍还原法在多孔BaTiO3表面负载了小于10 nm的Ni颗粒,研究了Ni负载量对Ni@BaTiO3/PVDF复合材料击穿场强的影响。实验发现,当固定BaTiO3的含量为3 vo1%时,复合材料的击穿场强随Ni负载量的增加先增大后减小,Ni/BaTiO3为8 vo1%时,复合材料击穿场强最高达到273kV/mm,其原因在于材料中的Ni颗粒库仑岛的库仑阻塞效应。采用溶液共混法,分别使用NDZ-311-H2O2和PVP-k30对Ni@BaTiO3进行表面改性,测试了NDZ-H2O2-Ni@BaTiO3/PVDF (Ⅰ)和PVP-Ni@BaTiO3/PVDF (Ⅱ)两种复合材料的介电常数和击穿场强并计算了储能密度。结果表明,随Ni@BaTiO3含量的增加,两种材料的介电常数均逐渐增大,而击穿场强先增加后减小;当Ni@BaTiO3含量同为10 vo1%时,介电常数分别达到22.1和21且介电损耗较低,当Ni@BaTiO3含量同为3 vo1%时,两种材料的击穿场强分别达到最大值为335 kV/mm和321 kV/mm。对于复合材料I,Ni@BaTiO3含量为4 vo1%的储能密度达到最大值为6.49 J/cm3,表明NDZ-311-H2O2的改性效果更好,与PVDF的基团键合作用更强;另外储能密度提高的原因在于复合材料中Ni引发的相界面极化的增大及改性后使得无机相和有机相界面能够更好的相互容纳。在高储能密度组成时复合材料I的基础上,研究引入单一相20 nmNi颗粒的含量对Ni/(NDZ-H2O2-Ni@BaTiO3)/PVDF复合材料电性能的影响,发现随单相Ni含量增加,复合材料的介电常数逐渐增加且介电损耗较小,击穿场强先增大后减小。当添加0.1 vo1%单相Ni时,复合材料的击穿场强最大值为426kV/mm,储能密度达到11.41J/cm3,分别比复合材料I高27.2%和75.8%,其作用机理在于外加电场作用下单相Ni在自身极化的同时吸引周边Ni@BaTiO3和PVDF中的电荷,起到均化材料中电荷的作用,纳米Ni颗粒的加入还促进了PVDF的α相向高介电β和γ相的转变。
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