氮化硼納米片的高效剝離及其在P(VDF-HFP)介電復(fù)合材料中的應(yīng)用.pdf

1、高脈沖電容器因具有高的功率密度及長的使用壽命，在日常電子消費、粒子加速器及軍工等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。成功制備具有高介電常數(shù)、高擊穿場強、高儲能密度的高介電復(fù)合材料對于新型高脈沖電容器的獲得具有重要意義。此外，提高介電材料的最高使用溫度，有利于拓展高分子電介質(zhì)脈沖電容器的適用范圍和應(yīng)用領(lǐng)域。作為類石墨烯二維層狀結(jié)構(gòu)材料，氮化硼納米片(BNNSs)不僅具有獨特的物理性能，還可望實現(xiàn)高介電常數(shù)、高導(dǎo)熱性能和耐高溫的聚合物復(fù)合材料的制備。然而，六

2、方氮化硼粉末（h-BN）層間存在“l(fā)ip-lip”鍵的作用，使得BNNSs的剝離過程比較困難。實現(xiàn)BNNSs的高效、可控、低成本剝離，并對其表面有機功能化修飾，是實現(xiàn)BNNSs應(yīng)用的關(guān)鍵。本論文首先對h-BN粉末的剝離及其剝離機理展開了研究，在此基礎(chǔ)上將BNNSs與聚（偏氟乙烯-六氟丙烯）(P(VDF-HFP))進行復(fù)合，并通過拉伸和多層結(jié)構(gòu)設(shè)計研究了制備工藝和結(jié)構(gòu)對P(VDF-HFP)材料介電性能的影響。具體如下:
　　(1)利

3、用超支化聚乙烯(HBPE)液相剝離制備BNNSs。利用α-二亞胺鈀催化劑(Pd-diimine)獨特的“鏈行走”機理催化乙烯聚合，一步法合成了不同分子量的HBPE。利用HBPE在低沸點溶劑中非共價剝離h-BN粉末，得到了穩(wěn)定分散的BNNSs溶液。利用高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)、原子力學顯微鏡(AFM)、拉曼光譜(Raman)、X射線光電子能譜(XPS)和廣角X射線衍射(WAXRD)等表征手段對BNNSs的形貌和結(jié)構(gòu)進行了表征，證

4、明了剝離所得BNNSs缺陷較少、未被氧化，厚度約為3-7nm，橫向尺寸約為0.2-0.4μm。此外，考察了HBPE的分子量、超聲時間、h-BN的起始投料比及HBPE/h-BN的質(zhì)量比等參數(shù)對BNNSs制各效率的影響。針對BNNSs的剝離機理，證實了BNNSs的剝離是由于HBPE大量的末端支鏈與BNNSs表面可形成穩(wěn)固的CH-π作用，從而使得BNNSs可穩(wěn)定分散在有機溶液中。
　　(2)所得BNNSs與P(VDF-HFP)采用流延法

5、制備BNNSs/P(VDF-HFP)復(fù)合膜。通過偏光顯微鏡(POM)、紅外光譜(FTIR)、XRD、差示掃描量熱儀(DSC)、掃描電鏡(SEM)、導(dǎo)熱儀、阻抗分析儀和鐵電測試儀對復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度以及導(dǎo)熱、介電和儲能性能進行了研究。結(jié)果表明BNNSs對P(VDF-HFP)有異相成核的作用，有效提高了復(fù)合膜的結(jié)晶度，可達39.95％，同時β相含量可高達92％;當BNNSs的含量為0.5wt％時，復(fù)合膜材料的介電常數(shù)可達35.5(100H

6、z)，介電損耗僅為0.058，最大極化為4.05μC/cm2(325MV/m)，充放電效率為79％，儲能密度為5.63J/cm3(325MV/m)，是純膜的1.34倍;此外，復(fù)合膜的導(dǎo)熱性能有明顯提高，當BNNSs的含量為1.0wt％時，BNNSs/P(VDF-HFP)復(fù)合膜的導(dǎo)熱系數(shù)可達0.91Wm-1K-1，是純膜的4.13倍。
　　(3)采用不同的拉伸溫度、拉伸速率和拉伸倍率對0.5wt％BNNSs/P(VDF-HFP)復(fù)合

7、膜進行后處理，系統(tǒng)研究了拉伸工藝對復(fù)合膜材料的結(jié)構(gòu)和介電性能的影響。結(jié)果表明，當拉伸速率為50mm/min，拉伸溫度為80℃，拉伸倍率為2倍時，復(fù)合膜的β相含量可達99.84％，介電常數(shù)可達36。通過熱壓的方式制備多層P(VDF-HFP)及其復(fù)合膜材料，研究了熱壓工藝（熱壓溫度、熱壓時間、熱壓層數(shù)）對多層結(jié)構(gòu)純P(VDF-HFP)膜晶體結(jié)構(gòu)、介電及儲能性能的影響。結(jié)果表明，當熱壓溫度為165℃，時間為10min，層數(shù)為10層時，多層純P

8、(VDF-HFP)的介電常數(shù)可達16.5(100Hz)是單層純膜的2.06倍，最大極化可達5.72μC/cm2(210MV/m)，充放電效率為70％，儲能密度可達4.7J/cm3，是同電場強度下單層純膜的2.33倍。此外，對于多層結(jié)構(gòu)復(fù)合膜P(VDF-HFP)展開了初步研究，設(shè)計了不同堆疊復(fù)合結(jié)構(gòu)并結(jié)合了拉伸后處理工藝。取得的初步研究結(jié)果如下:在拉伸速率為20mm/min，拉伸溫度為80℃，拉伸倍率為2倍時，多層結(jié)構(gòu)復(fù)合膜51015的介