Hoge-Energiedichtheid Dielectrische Films: Combineren van PVDF-TrFE-CFE met Aromatische Polythiourea voor Geavanceerde Condensatoren

Samenvatting

Het construeren van dielectrische films met hoge energiedichtheid en efficiëntie is de sleutelfactor om hoge-prestatie dielectrische filmcondensatoren te fabriceren. In dit artikel werd een volledig organische composietfilm geconstrueerd gebaseerd op hoog-dielectrisch polymere en lineair dielectrisch polymere. Na de geoptimaliseerde polycondensatiereactie van een lineair dielectrisch polymere aromatische polythiourea (ArPTU), werd de juiste molecuulgewicht ArPTU verkregen, welke geïntroduceerd werd in poly(vinylidene fluoride-trifluoreethyleen-chloorfluoreethyleen) (PVDF-TrFE-CFE) terpolymer voor een composiet dielectrica. De resultaten geven aan dat de toevoeging van ArPTU moleculen de dielectrische verlies vermindert en de doorbraak veldsterkte van PVDF-TrFE-CFE effectief verbetert. Voor de PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10) composietfilm werd een maximale energiedichtheid van ongeveer 22,06 J/cm³ bij 407,57 MV/m bereikt, en een hoge ontladingsefficiëntie van ongeveer 72% gepresenteerd. Dit composietmateriaal kan gemakkelijk op flexibele substraat gecast worden, en PVDF-TrFE-CFE/ArPTU organische composietfilms met hoge energiedichtheid, hoge doorbraak veldsterkte, lage dielectrische verlies, en hogere ontladingsefficiëntie zijn verkregen. Dit is een ongerapporteerde verkenning over hoge energiedichtheid organische dielectrische films gebaseerd op PVDF-TrFE-CFE matrix en lineaire polymere dielectrica, en de bevindingen van dit onderzoek kunnen een eenvoudige en schaalbare methode bieden voor het produceren van flexibele hoge energiedichtheid materialen voor energiedopslagapparaten.

Inleiding

Dielectrische filmcondensatoren met hoge energiedichtheid, lage dielectrische verlies, en hoge efficiëntie zijn vereist voor compacte en betrouwbare stroomsystemen [1-7]. Onder de beschikbare elektrische energiedopslagtechnologieën hebben dielectrische filmcondensatoren de hoogste vermogensdichtheid vanwege hun ultra-snelle oplaad- en ontlaadcapaciteit [8, 9]. Energiedopslag dielectrische materialen spelen een cruciale rol in dielectrische filmcondensatoren, de prestaties van dielectrische films beslissen over de meeste prestaties van condensatoren en het construeren van hoge energiedichtheid, en lage dielectrische verlies dielectrische films trekken de meeste aandacht in gerelateerd onderzoek. Echter, huidige dielectrische materialen bestaan in dilemmas met het hebben van zowel hoge energiedichtheid als efficiëntie. Over het algemeen hebben polymeren hoge doorbraak veldsterkte maar lage dielectrische constante [10, 11]. De energiedichtheid van biaxiaal georiënteerde polypropyleen (BOPP), wat vandaag de dag breed gebruikt lineair dielectrisch polymere is, is slechts 1,2 J/cm³, wat ver van de behoeften van praktische toepassing is. Het is bekend dat keramische materialen hoge dielectrische constante hebben, maar de doorbraak veldsterkte is erg laag en het bereidingsproces is gecompliceerd. Het is al gebruikelijk om hoge dielectrische constante anorganische nanomaterialen in organische polymeren te vullen voor hoge energiedichtheid dielectrica. Echter, in veel gevallen resulteert de hercombinatie van de twee materialen in aggregatie en interfaciale adhesie door het verschil in compatibiliteit tussen de twee ingrediënten, resulterend in hoge dielectrische verlies. Daartoe moeten nieuwe dielectrische materialen gezocht en ontworpen worden om de energiedichtheid van de films en gerelateerde apparaten verder te verhogen.

Vergeleken met anorganische materialen, zijn polymeren aantrekkelijke materialen die als dielectrica gebruikt kunnen worden [12-14] vanwege hun eenvoudige verwerkingstechnologie en lichte dichtheid, resulterende in lichtgewicht en flexibele films. Als polymere dielectrica, zijn poly(vinylidene fluoride) (PVDF) en zijn copolymeren uitgebreid bestudeerd voor condensator toepassingen vanwege hun hoge doorbraak veld en dielectrische constante [15-19]. Het hoge dipoolmoment van de C–F binding produceert een PVDF-gebaseerd polymere met hogere dielectrische constante. Helaas beperken de hoge remanente polarisatie en grote hysterese verlies van PVDF en zijn copolymeren hun toepassing op dielectrische materialen in condensatoren. Een manier om dit probleem op te lossen is om een ontspannen ferro-elektrisch polymere te ontwerpen met verminderde hysterese door structurele defecten in de PVDF matrix te incorporeren. Bijvoorbeeld, chloorfluoreethyleen (CFE) wordt geïntroduceerd in poly(vinylidene fluoride-trifluoreethyleen) (PVDF-TrFE) om poly(vinylidene fluoride-trifluoreethyleen-chloorfluoreethyleen) (PVDF-TrFE-CFE) te vormen, en een smalle hysterese lus en hoge dielectrische constante worden waargenomen [20, 21]. Echter, PVDF terpolymers vertonen hoge dielectrische verlies onder hoog elektrisch veld [22].

In recente jaren zijn lineaire dielectrische polymeren met polaire groepen gebruikt als hoog-prestatie polymere dielectrica vanwege de hoge doorbraak veldsterkte en ontladingsefficiëntie. Belangrijker nog, rijke lineaire dielectrische polymeren met verschillende polaire groepen kunnen ontworpen worden volgens de eerste-principe berekening voor verschillende toepassingen [23]. Onder deze polymeren is aromatische polythiourea (ArPTU) gerapporteerd als een nieuwe lineaire dielectrische polymeren met hoge doorbraak veldsterkte (1,0 GV/m) en hoge op- en ontladingsefficiëntie (90% bij 1,1 GV/m) [24, 25]. De aromatische polymere films vertonen nog steeds een lineaire dielectrische respons onder hoge elektrische velden. In tegenstelling tot andere niet-polaire polymeren, kan de willekeurige dipool en amorfe glasfase structuur van polaire groepen in ArPTU fungeren als een val, wat de spreiding van ladingdragers aanzienlijk vergroot, dus de geleidingsverlies bij hoog elektrisch veld aanzienlijk vermindert. Echter, ArPTU is bros door de starre aromatische groepen, wat het ongeschikt maakt voor groot-oppervlak filmbereiding voor dielectrische filmcondensator toepassingen, vooral apparaten gebaseerd op rol-naar-rol verwerking. Wat betreft filmbereidingsmethode, verschijnen一些新方法如3D打印用于可能的介电层制备[26, 27]。然而，在应用于薄膜制造工艺特别是大面积复合介电体之前，还需要进一步改进。

In dit artikel, om deze problemen op te lossen, is een PVDF-TrFE-CFE/ArPTU volledig-organisch dielectrisch materiaal bestudeerd om zowel hoge energiedichtheid als efficiëntie te bereiken. Voorafgaand aan het samenstelproces, werd de invloed van molecuulgewicht op prestaties van ArPTU in detail onderzocht om de goede synergistische effect tussen de twee polymeren te bereiken, en dit zou meer waardevolle instructies leveren om hoog-prestatie en volledig-organische dielectrica op basis van lineaire dielectrische materialen te bouwen. Vervolgens, door een kleine hoeveelheid ArPTU in de PVDF-TrFE-CFE matrix te mengen, werd een eenvoudige oplossing gietmethode gebruikt om groot-oppervlak composietfilms te bereiden en composiet dielectrische films met hoge energiedichtheid en efficiëntie werden bereikt. In het bijzonder is dit composiet polymere makkelijk te verwerken, lichter in gewicht, en lager in kosten [28-30], wat veelbelovende toekomst toont als hoog-prestatie dielectrische condensator en energiedopslagtoepassingen.

Materialen en Methodes

Materialen

PVDF-TrFE-CFE 63,2/29,7/7,1 (mol%) werd gekocht van Piezotech (Frankrijk). 4,4′-Difenylmethanediamine (MDA) werd gekocht van Aladdin (Shanghai, China), en p-feneen diisothiocyaanate (PDTC) werd gekocht van Acros (België). N-Methylpyrrolidone (NMP) werd geleverd door Chengdu Kelong Chemical Company.

Polythiourea Synthese en Filmbereiding

De ArPTU werd gesynthetiseerd door de polycondensatiereactie. 1,922 g (0,01 mol) PDTC en 1,982 g (0,01 mol) MDA werden toegevoegd aan een drie-hals ronde bodem fles voorheen geladen met 40 ml NMP oplosmiddel onder N₂ atmosfeer. Na reageren bij kamertemperatuur gedurende 6 uur, werd het gewassen met methanol voor 3–5 keer, en vervolgens gedroogd in een vacuümoven bij 60 °C gedurende 12 uur om de polythiourea te verkrijgen. Door de verhouding van de twee monomeren van de synthetische polythiourea te controleren, worden drie verschillende molecuulgewicht polythiourea's van A, B, en C verkregen.

De PVDF-TrFE-CFE/ArPTU composietfilms met verschillende verhoudingen werden bereid door een oplossing gietmethode. Ten eerste werd de vooraf berekende massa van ArPTU en PVDF-TrFE-CFE apart opgelost in NMP oplosmiddel om de corresponderende oplossing te vormen en geroerd bij kamertemperatuur gedurende 4 uur. Vervolgens werden oplossingen van verschillende massaverhoudingen apart gemengd uit de oplossing bereid in de vorige stap, en N₂ werd toegevoegd om bellen te vermijden gegenereerd tijdens het mengen, en geroerd bij kamertemperatuur gedurende 6 uur. De uniformedikte film werd gevormd door oplossing gietmethode op de schone kwartsglasplaat, en de composietfilms werden verkregen door drogen in vacuüm bij 60 °C gedurende 12 uur.

Elektrische Prestatietest

De unipolaire polarisatie-elektrisch veld hysterese lussen van de dielectrische polymere films werden verkregen met behulp van Precision Multiferroic (Radiant) uitgerust met 4000 V versterker bij kamertemperatuur en een frequentie van 10 Hz. De efficiëntie van de oplaad-ontlaadcyclus als functie van het toegepaste veld werd gegeven door de verhouding van de ontladen energie tot de opgeslagen elektrische energie. Dielectrische constante en verlies van de dielectrische polymere films werden gemeten in een 100-Hz tot 1-MHz bereik bij kamertemperatuur met Impedantie Analyzer (Agilent 4294A). De doorbraak veldsterkte van de dielectrische polymere films werd gemeten door AC en DC weerstandsspanning isolatietester (TH9201) bij kamertemperatuur. De doorbraaksterkte van de composietfilms werd bepaald door Weibull verdeling statistieken.

Karakterisering van de Materialen

Scanning elektronenmicroscoop (SEM, Hitachi S-4800) werd gebruikt om de oppervlaktemorfologie van de dielectrische polymere films te observeren. De Fourier-transformatie infrarood spectroscopie (FTIR) curven van de dielectrische polymere films werden waargenomen door FTIR spectrometer (8400S, Shimadzu) in het bereik van 400 tot 4000 cm⁻¹. De Röntgendiffractie (XRD) patronen van de dielectrische polymere films werden opgenomen door een Röntgenpoeder diffractometer (X'Pert Pro, Panalytical) met Cu Kα straling.

Resultaten en Discussies

Dielectrische Eigenschappen van Verschillende Molecuulgewicht ArPTU Films

Molecuulgewicht toont duidelijke invloed op fysieke prestaties van ArPTU, met name de dielectrische prestaties en verwerkbaarheid. Door de polycondensatiereactiecondities te controleren, met name de verhouding van de twee monomeren, werden ArPTU met verschillende molecuulgewicht gesynthetiseerd, zoals getoond in Tabel 1 (A, B, en C zijn polythiourea's gesynthetiseerd door de molaire verhouding PDTC/MDA (1/1), PDTC/MDA (0,95/1), en PDTC/MDA (1,05/1)). Door de molaire verhouding van de twee monomeren MDA en PDTC af te stemmen, namen het gewichtsgemiddelde molecuulgewicht en getalsgemiddelde molecuulgewicht van drie ArPTU achtereenvolgens af in de volgorde A > B > C. Figuur 1 toont de dielectrische constante en dielectrische verlies van verschillende molecuulgewicht ArPTU films als functie van frequentie. Het kan gezien worden dat de dielectrische constante van verschillende molecuulgewicht ArPTU films afneemt met toenemende frequentie. Dit is omdat het ArPTU molecuul een polaire groep-thiourea groep heeft, en de dipool draaiende polarisatie in moleculen bijdraagt veel aan de dielectrische constante. Met de testfrequentie toenemend, neemt de bijdrage van dipool sturende polarisatie af [31]. Vooral bij hoge frequentie, kan de snelheid van dipool sturing niet bijhouden met de verandering van het elektrisch veld, resulterend in de dielectrische constante daalt met toenemende testfrequentie.

Bij de testfrequentie van 1000 Hz, daalt de dielectrische constante van verschillende molecuulgewicht ArPTU films in de volgorde A (4,55) > B (4,15) > C (4,10), wat consistent is met de volgorde van molecuulgewicht van de drie ArPTU. De reden voor dit fenomeen kan voortvloeien uit de gecoördineerde oriëntatie van de ArPTU korrelgrenslaag dipool in hoge molecuulgewicht polymeren [32, 33]. In deze moleculaire structuur behoudt het moleculaire segment van de ArPTU korrelgrenslaag niet alleen de uitlijningseigenschappen van de kristallijne regio moleculen, maar wordt ook niet beperkt door het roosternetwerk. Daarom, in ArPTU films, hoe hoger het volumefractie van de korrelgrenslaag, hoe hogere dielectrische constante. De hoge molecuulgewicht ArPTU film bevat meer langketen moleculen en de korrelgrenslaag zal ook meer volume innemen, resulterend in hogere dielectrische constante.

Zoals getoond in (Fig. 1), daalt de dielectrische verlies van verschillende molecuulgewicht ArPTU films eerst en stijgt dan met de toename van testfrequentie. In het 100–10.000 Hz domein, daalt de DC ion geleiding met toenemende testfrequentie, resulterend in een afname van dielectrische verlies. Wanneer testfrequentie hoger is dan 10.000 Hz, zorgt dipool relaxatie ervoor dat de dielectrische verlies toeneemt met de toename van de testfrequentie [34]. Duidelijk is dat de dielectrische verlies curves van de drie monsters niet veel verschillen, maar er is slechts een klein verschil in het hoge-frequentie gebied. Met andere woorden, het molecuulgewicht van ArPTU heeft weinig effect op dielectrische verlies van ArPTU films.

De op- en ontladingsefficiëntie van verschillende molecuulgewicht ArPTU films kan berekend worden door de unipolaire polarisatie-elektrisch veld hysterese lussen te meten, zoals getoond in (Fig. 2). De op- en ontladingsefficiëntie daalt met de toename van het toegepaste elektrisch veld. Vergeleken met hoge molecuulgewicht ArPTU film, daalt de op- en ontladingsefficiëntie van lage molecuulgewicht ArPTU film met een langzamere snelheid. Onder het elektrisch veld van 2000 KV/cm, nam de op- en ontladingsefficiëntie van verschillende molecuulgewicht ArPTU films toe in de volgorde A (83,35%) < B (84,24%) < C (87,73%), de lage molecuulgewicht ArPTU film heeft hogere op- en ontladingsefficiëntie. Dit is omdat hoge molecuulgewicht ArPTU film meer langketen moleculen bevat die grotere ferro-elektrische domeinen vormen wanneer het kristalliseert, en grotere ferro-elektrische domeinen resulteren in hogere remanente polarisatie en lagere op- en ontladingsefficiëntie daarbij.

Figuur 3 is de XRD curven van verschillende molecuulgewicht ArPTU films. De ArPTU films met verschillende molecuulgewichten hebben relatief brede Röntgendiffractie pieken bij 2θ ≅ 22°, en de intensiteit van de pieken daalt met de toename van molecuulgewicht. Dit is omdat ArPTU een amorfe structuur heeft, en de hoge molecuulgewicht ArPTU film bevat meer langketen moleculen, resulterend in groter amorfe regio. Daarom daalde de kristallijnheid in polymere films, wat resulteert in het verzwakken van de diffractie piek [35, 36].

Karakterisering van PVDF-TrFE-CFE/ArPTU Composietfilms

Figuur 4 toont de oppervlaktemorfologie van ArPTU, PVDF-TrFE-CFE, en PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10) gekarakteriseerd door scanning elektronenmicroscopie (SEM). Het kan waargenomen worden dat het oppervlak van de PVDF-TrFE-CFE film een dendritische structuur vertegenwoordigt, wat zijn hoge kristallijnheid aangeeft, wat consistent is met XRD resultaten. De ArPTU film toont heel glad filmoppervlak, en enkele kleine deeltjes verschijnen op het oppervlak van de PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10) composietfilm. Duidelijk is dat de domeinen van PVDF-TrFE-CFE zijn verkleind door het mengen van ArPTU, wat ook consistent is met XRD data.

De FTIR curven van PVDF-TrFE-CFE/ArPTU composietfilms met verschillende ArPTU massaverhoudingen worden getoond in (Fig. 5a). De FTIR curven tonen aan dat de composietfilms met verschillende verhoudingen duidelijke absorptiepieken hebben bij 1230 cm⁻¹, voortvloeiend uit de -HN-CS-NH- groep in polythiourea, wat het bestaan van ArPTU in de composietfilms bewijst. De XRD curven van PVDF-TrFE-CFE/ArPTU composietfilms met verschillende samenstelverhoudingen worden getoond in (Fig. 5b). Het kan gezien worden dat de PVDF-TrFE-CFE film en PVDF-TrFE-CFE/ArPTU composietfilms duidelijke karakteristieke pieken hebben bij 2θ ≅ 19,72°, en deze piek is een karakteristieke diffractie piek van de β-fase (110) en (200) kristalvlakken. De intensiteit van de diffractie piek daalt met de toename van ArPTU inhoud, wat betekent dat de kristallijnheid van de composietfilm daalt met de ArPTU inhoud toenemend. Daarnaast hebben PVDF-TrFE-CFE film en PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (95/5) film een zwakkere diffractie piek bij 2θ ≅ 17,56°, en deze piek is de karakteristieke diffractie piek van de α-fase (020) kristalvlak. Wanneer de massafractie van ArPTU meer dan 10% bereikt, verzwakt de kristallisatie piek van de α-fase van PVDF-TrFE-CFE/ArPTU composietfilms, wat aangeeft dat composietfilms langzaam transformeren naar een amorfe toestand met de toename van ArPTU component.

Dielectrische Eigenschappen van PVDF-TrFE-CFE/ArPTU Composietfilms

Gebaseerd op de bovenstaande resultaten, werd ArPTU monster B gekozen, welke hogere dielectrische constante en ontladingsefficiëntie heeft, om composiet dielectrische films met PVDF-TrFE-CFE te bereiden. Ten eerste, om de invloed van ArPTU op de dielectrische eigenschap van PVDF-TrFE-CFE matrix te bestuderen, werden dielectrische frequentiespectra in een 100-Hz tot 1-MHz bereik gekarakteriseerd bij kamertemperatuur. Zoals gepresenteerd in (Fig. 6a), kan gezien worden dat de dielectrische constante van de composietfilms geleidelijk daalt naarmate de inhoud van ArPTU toeneemt. De composietfilms hebben dielectrische constanten van 35,72, 30,02, en 28,37 bij 95/5, 90/10, en 85/15 verhoudingen in 1000 Hz, respectievelijk. De verminderde dielectrische constante van de composietfilms is te wijten aan de toevoeging van lage dielectrische constante ArPTU. Tegelijkertijd, met de hoeveelheid ArPTU toevoeging toenemend, daalt de dielectrische constante frequentie afhankelijkheid van de composietfilms. Dit is omdat de thioureum eenheden in ArPTU interacteren met de PVDF-TrFE-CFE matrix, wat de rotatie van de dipolen in PVDF-TrFE-CFE beperkt [37].

Figuur 6b toont de relatie tussen dielectrische verlies en frequentie van de composietfilms met verschillende ArPTU verhoudingen. Het kan gezien worden dat de dielectrische verlies van alle composietfilms lager is dan PVDF-TrFE-CFE film, wat aangeeft dat de toevoeging van ArPTU moleculen de dielectrische verlies van PVDF-TrFE-CFE effectief kan verminderen. Dit wordt toegeschreven aan de thioureum eenheid in polythiourea die de intervlaakte ruimte vergroot, en de dipolen in de polymere keten hebben meer ruimte om vrij te roteren, wat dipool relaxatie effectief beperkt. Aangezien de dielectrische verlies onder hoge frequenties voornamelijk afkomstig is van dipool relaxatie, duiden de resultaten erop dat de thioureum groepen in ArPTU dipool relaxatie kunnen beperken [37, 38].

De doorbraak veldsterkte van dielectrische films is een andere belangrijke parameter voor praktische condensator toepassingen. De doorbraak veldsterkte van de composietfilms met verschillende ArPTU verhoudingen wordt gekarakteriseerd door Weibull verdeling statistieken, welke getoond worden in (Fig. 7). Voor ArPTU, PVDF-TrFE-CFE, PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (95/5), PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10), en PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (85/15) films, waren de doorbraak veldsterkte berekend door Weibull verdeling 467,5 MV/m, 324,6 MV/m, 366,9 MV/m, 407,6 MV/m, en 302,4 MV/m, respectievelijk. Het onthult dat vergeleken met PVDF-TrFE-CFE film, de doorbraak veldsterkte van de composietfilms aanzienlijk verbeterd is door introductie van ArPTU, en hoe meer ArPTU inhoud bevat, hoe hogere doorbraak veldsterkte van composietfilm verkregen wordt. De toevoeging van ArPTU versterkt elektronen-fonon verstrooiing en elektronen-dipool verstrooiing in de composietfilms, wat resulteert in de aanzienlijke verbeterde doorbraak veldsterkte [38]. Echter, wanneer de ArPTU inhoud verhoogd wordt tot 15%, daalt de doorbraak veldsterkte van composiet, wat te wijten kan zijn aan het delaminatie fenomeen van twee polymeren, resulterend in meer defecten in composiet en de reductie van doorbraak veldsterkte daarbij. Daarom zal de juiste toevoeging van ArPTU de doorbraak veldsterkte van hoge dielectrische PVDF-TrFE-CFE films effectief verbeteren.

De unipolaire polarisatie-elektrisch veld hysterese lussen van PVDF-TrFE-CFE/ArPTU composietfilms met verschillende ArPTU verhoudingen worden getoond in (Fig. 8). De maximale polarisatie van de composietfilms daalt met de toename van ArPTU inhoud. De remanente polarisatie van de composietfilms met drie verschillende verhoudingen daalt ten opzichte van PVDF-TrFE-CFE film, wat aangeeft dat de toevoeging van ArPTU moleculen de vroege polarisatie verzadiging van PVDF-TrFE-CFE effectief kan remmen, resulterend in hogere op- en ontladingsefficiëntie.

In praktische toepassingen is de op- en ontladingsefficiëntie een andere belangrijke kenmerkparameter van dielectrische materialen vanwege het energieverlies wat altijd leidt tot verhitting en de prestaties en betrouwbaarheid van de condensator schaadt. Figuur 9 toont de op- en ontladingsefficiëntie van de PVDF-TrFE-CFE/ArPTU composietfilms met verschillende ArPTU verhoudingen. De toegepaste veldsterkte van de PVDF-TrFE-CFE film nam toe van 500 tot 2000 KV/cm, en de op- en ontladingsefficiëntie daalde van 77 tot 58%, voornamelijk door ferro-elektrische hysterese verlies onder hoog elektrisch veld. De op- en ontladingsefficiëntie van composietfilms met verschillende ArPTU verhoudingen is aanzienlijk hoger dan die van PVDF-TrFE-CFE film. De PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10) film behoudt 72% op- en ontladingsefficiëntie bij een elektrisch veld van 2000 KV/cm. Bij 2000 KV/cm toont het composiet een hoge energiedichtheid met 5,31 J/cm³, wat veel hoger is dan BOPP films voor praktisch gebruik. De toevoeging van ArPTU verandert de moleculaire structuur van PVDF-TrFE-CFE en remt PVDF-TrFE-CFE om voorbereid polarisatie verzadiging te bereiken. Er is ook gevonden dat de juiste toevoegingsverhouding van ArPTU duidelijke invloed toont op op- en ontladingsefficiëntie van composietfilms. De 85/15 verhouding composiet heeft een relatief lage op- en ontladingsefficiëntie door de hoge ArPTU inhoud, wat kan voortvloeien uit het delaminatie fenomeen van twee polymeren.

De energiedichtheid van PVDF-TrFE-CFE/ArPTU composietfilms met verschillende composietverhoudingen wordt getoond in Fig. 10a. De verbetering van de opslagdichtheid van de composietfilms ten opzichte van ArPTU film is consistent met het resultaat van de dielectrische constante prestaties van de composietfilms. Het kan gezien worden dat vergeleken met de zuivere ArPTU film, de PVDF-TrFE-CFE/ArPTU composietfilms hogere energiedichtheid hebben bij hetzelfde elektrisch veld vanwege de verhoogde dielectrische constante. De maximale energiedichtheid van de PVDF-TrFE-CFE film in PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10) composietfilm heeft een opslagdichtheid van 22,06 J/cm³ bij 4076 KV/cm. Vergeleken met PVDF-TrFE-CTFE/ArPTU composietfilms (19,2 J/cm³) [37], toont de film in ons werk hogere energiedopslagdichtheid. Hoewel de films in ons werk iets lagere doorbraakspanning tonen, zorgt hogere dielectrische constante voor grote verbetering van energiedopslagdichtheid. Dus, een afweging van doorbraaksterkte en dielectrische constante moet overwogen worden bij het construeren van hoge energiedichtheid composietfilms. Verder, rekening houdend met de ontlading energiedichtheid, wijst ons werk ook hoge concurrentie uit met hoogste ontlading energiedichtheid, wat getoond wordt in Fig. 10b. Vergeleken met organisch-anorganische composietfilms, kunnen organische composietfilms de energiedopslagdichtheid en efficiëntie van de film efficiënter verbeteren en zijn haalbaar in praktische toepassingen voor rol-naar-rol apparaatfabricatie [41, 42]. Samengevat, door het molecuulgewicht en toevoegingsverhouding van ArPTU juist te controleren, kunnen hoog-prestatie organische dielectrica gebaseerd op PVDF-TrFE-CFE/ArPTU met hoge energiedichtheid, hoge doorbraak veldsterkte, lage dielectrische verlies, en hogere op- en ontladingsefficiëntie geconstrueerd worden. Deze hoog-prestatie polymere film is bewijs als veelbelovende dielectrische materialen voor hoge-vermogensdichtheid filmcondensator toepassingen.

Conclusie

ArPTU werd geïntroduceerd in PVDF-TrFE-CFE/ArPTU om composiet dielectrische films te bereiden door een oplossing gietmethode. Vergeleken met PVDF-TrFE-CFE film, hebben PVDF-TrFE-CFE/ArPTU composietfilms hogere doorbraak veldsterkte, hogere op- en ontladingsefficiëntie, en lagere dielectrische verlies. Een hogere doorbraak veldsterkte betekent een toename in de energiedopslagdichtheid. De PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10) composietfilm heeft een opslagdichtheid van 22,06 J/cm³ bij 407,57 MV/m. De verbetering in dielectrische eigenschappen van de composietfilms is gerelateerd aan veranderingen in kristalstructuur. De uitstekende dielectrische eigenschappen en eenvoudige bereidingsproces van PVDF-TrFE-CFE/ArPTU composietfilms maken het een belangrijk onderzoeksdurchbruch voor toekomstige dielectrische materialen en een veelbelovende toepassingsperspectief voor energiedopslagapparaten.