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西安科技大学研究生学术成果在《Energy Storage Materials》发表

近日,西安科技大学化学与化工学院先进电工材料研究中心2020届硕士研究生李婷的研究成果以“Decoupling of inter-particle polarization and intra-particle polarization in core-shell structured nanocomposites towards improved dielectric performance”为题,发表在全球储能材料领域的著名刊物《Energy StorageMaterials》(2020, IF=17.78), 2021,42,1-11上,该研究论文提出了一种解耦调控复合材料介电性能的新机制。

高介低损的聚合物电介质材料在广泛应用于微电子器件、电力电缆、智能电网、储能、柔性电子、水下航行及监控、非破坏性测试等领域。当前,基于导体核及绝缘壳结构的设计策略在显著降低具有逾渗行为的导体粒子/聚合物体系损耗的同时,也明显抑制和减少了介电常数,介电损耗降低往往以减少体系的介电常数为代价的。虽然有零星报道基于多层壳之间的极化增强效应带来了体系介电常数的额外升高,但相比未包覆粒子而言体系的介电常数的下降是主流。

由此引出一个多年来很少探究的问题,导体核@绝缘壳结构粒子是否最终利于改善聚合物的介电性能?同样,粒子含量也对介电性能有影响,降低含量可有效降低损耗。因此,厚壳和高含量粒子同薄壳、低含量粒子这2个因素相比,那个因素更利于改善体系的介电性能?就提升复合材料的整体介电性能而言,核壳结构的本质物理作用是什么?如何在设计最佳壳厚度处获得体系介电性能的同步提升。目前国内外对如上问题仍缺乏解释和深入研究。

针对此问题,李婷设计和制备了系列含不同厚度及结构(非晶及晶体)的氧化铝外壳的核壳结构铝粒子Al@Al2O3,和聚偏氟乙烯复合后,研究了填料含量及外壳结构对纳米复合材料的结构及介电性能影响。晶体氧化铝外壳对纳米复合材料的低场及高场介电性能的影响结果表明,绝缘壳的引入绝非只仅仅降低了损耗,Al@Al2O3/PVDF的高介电常数主要源自粒子内的快速极化(粒子内的电子极化)和粒子间的慢极化(粒子间的电子迁移),相比常规逾渗体系中2类极化的耦合关系和难以协同调控的状况,本研究构筑的具有非晶及晶体双壳的Al2O3外壳利于独立或解耦控制2类不同的快、慢极化模式。通过改变填料含量及外壳结构促进了高频下粒子内的快极化,抑制了低频下的粒子间的慢极化,使得核壳结构纳米复合材料同步获得高介电常数及低损耗,介电性能远超过表面未改性粒子体系的。

此外,随着非晶氧化铝外壳转化为晶体结构,复合粒子的热导率逐步提高,纳米复合材料的导热性能及高电场下的绝缘电阻相应得到提高和改善,使得在高电压下运行的材料因良好的散热效果及高绝缘特性而处于安全和稳定的低温环境,部分实验结果见图5-7,9所示。

本研究结果为设计同步具备高介电常数、低损耗及良好热机械性能的逾渗复合材料提供了有益参考。西安科技大学为该文第一作者单位,化工学院周文英教授为该论文通讯作者。本研究得到国家自然科学基金(51577154,51937007)资助。

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