home Productietechnologie Fabricage-apparatuur
Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

Alle polymere diëlektrische films voor het bereiken van filmcondensatoren met hoge energiedichtheid door poly (vinylideenfluoride-trifluorethyleen-chloorfluorethyleen) te mengen met aromatisch polythioureum

Abstract

Constructie van diëlektrische films met een hoge energiedichtheid en efficiëntie zijn de belangrijkste factor om hoogwaardige diëlektrische filmcondensatoren te fabriceren. In dit artikel werd een volledig organische composietfilm geconstrueerd op basis van hoog diëlektrisch polymeer en lineair diëlektrisch polymeer. Na de geoptimaliseerde polycondensatiereactie van een lineair diëlektrisch polymeer aromatisch polythioureum (ArPTU), werd het juiste molecuulgewicht ArPTU verkregen, dat werd geïntroduceerd in poly(vinylideenfluoride-trifluorethyleen-chloorfluorethyleen) (PVDF-TrFE-CFE) terpolymeer voor een samengesteld diëlektrica. De resultaten geven aan dat de toevoeging van ArPTU-moleculen het diëlektrische verlies vermindert en de doorslagveldsterkte van het PVDF-TrFE-CFE effectief verbetert. Voor de PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10) composietfilm is de maximale energiedichtheid ongeveer 22,06 J/cm 3 bij 407,57 MV/m werd bereikt en een hoge ontladingsefficiëntie van ongeveer 72% werd gepresenteerd. Dit composietmateriaal kan gemakkelijk op een flexibel substraat worden gegoten en er worden PVDF-TrFE-CFE/ArPTU organische composietfilms verkregen met een hoge energiedichtheid, een hoge doorslagveldsterkte, een laag diëlektrisch verlies en een hogere ontladingsefficiëntie. Dit is een niet-gerapporteerde verkenning van organische diëlektrische films met hoge energiedichtheid op basis van PVDF-TrFE-CFE-matrix en lineaire polymeerdiëlektrica, en de bevindingen van dit onderzoek kunnen een eenvoudige en schaalbare methode bieden voor het produceren van flexibele materialen met hoge energiedichtheid voor apparaten voor energieopslag.

Inleiding

Diëlektrische filmcondensatoren met een hoge energiedichtheid, een laag diëlektrisch verlies en een hoog rendement zijn vereist voor compacte en betrouwbare voedingssystemen [1,2,3,4,5,6,7]. Van de beschikbare technologieën voor de opslag van elektrische energie hebben diëlektrische filmcondensatoren de hoogste vermogensdichtheid vanwege hun ultrasnelle laad- en ontlaadvermogen [8, 9]. Diëlektrische materialen voor energieopslag spelen een cruciale rol in diëlektrische filmcondensatoren, de prestaties van diëlektrische films bepalen de meeste prestaties van condensatoren en het construeren van een hoge energiedichtheid, en diëlektrische films met een laag diëlektrisch verlies trekken de meeste aandacht in gerelateerd onderzoek. De huidige diëlektrische materialen hebben echter de dilemma's dat ze zowel een hoge energiedichtheid als een hoge efficiëntie hebben. Over het algemeen hebben polymeren een hoge doorslagveldsterkte maar een lage diëlektrische constante [10, 11]. De energiedichtheid van biaxiaal georiënteerd polypropyleen (BOPP), dat tegenwoordig veel gebruikt wordt voor lineair diëlektrisch polymeer, is slechts 1,2 J/cm 3 , die verre van de behoeften van praktische toepassing is. Het is algemeen bekend dat keramische materialen een hoge diëlektrische constante hebben, maar de doorslagveldsterkte is erg laag en het bereidingsproces is gecompliceerd. Het is al gebruikelijk om anorganische nanomaterialen met een hoge diëlektrische constante in organische polymeren te vullen voor diëlektrica met hoge energiedichtheid. In veel gevallen resulteert de recombinatie van de twee materialen echter in aggregatie en grensvlakadhesie vanwege het verschil in compatibiliteit tussen de twee ingrediënten, wat resulteert in een hoog diëlektrisch verlies. Hiertoe moeten nieuwe diëlektrische materialen worden gezocht en ontworpen om de energiedichtheid van de films en aanverwante apparaten verder te verhogen.

Vergeleken met anorganische materialen zijn polymeren aantrekkelijke materialen die kunnen worden gebruikt als diëlektrica [12,13,14] vanwege hun eenvoudige verwerkingstechnologie en lichte dichtheid, wat resulteert in lichtgewicht en flexibele films. Als polymere diëlektrica zijn poly(vinylideenfluoride) (PVDF) en zijn copolymeren uitgebreid bestudeerd voor condensatortoepassingen vanwege hun hoge doorslagveld en diëlektrische constante [15,16,17,18,19]. Het hoge dipoolmoment van de C-F-binding produceert een op PVDF gebaseerd polymeer met een hogere diëlektrische constante. Helaas beperken de hoge remanente polarisatie en het grote hystereseverlies van PVDF en zijn copolymeren hun toepassing op diëlektrische materialen in condensatoren. Een manier om dit probleem op te lossen is het ontwerpen van een ontspannen ferro-elektrisch polymeer met verminderde hysterese door structurele defecten in de PVDF-matrix op te nemen. Zo wordt chloorfluorethyleen (CFE) geïntroduceerd in poly(vinylideenfluoride-trifluorethyleen) (PVDF-TrFE) om poly(vinylideenfluoride-trifluorethyleen-chloorfluorethyleen) (PVDF-TrFE-CFE) te vormen, en een smalle hysteresislus en hoge diëlektrische constante worden waargenomen [20, 21]. PVDF-terpolymeren vertonen echter een hoog diëlektrisch verlies bij een hoog elektrisch veld [22].

In de afgelopen jaren zijn lineaire diëlektrische polymeren met polaire groepen gebruikt als hoogwaardige polymeerdiëlektrica vanwege de hoge doorslagveldsterkte en ontladingsefficiëntie. Belangrijker is dat overvloedige lineaire diëlektrische polymeren met verschillende polaire groepen kunnen worden ontworpen volgens de eerste principeberekening voor verschillende toepassingen [23]. Van deze polymeren is aromatisch polythioureum (ArPTU) gerapporteerd als nieuwe lineaire diëlektrische polymeren met een hoge doorslagveldsterkte (1,0 GV/m) en een hoge laad- en ontladingsefficiëntie (90% bij 1,1 GV/m) [24, 25]. De aromatische polymeerfilms vertonen nog steeds een lineaire diëlektrische respons onder hoge elektrische velden. In tegenstelling tot andere niet-polaire polymeren, kan de willekeurige dipool- en amorfe glasfasestructuur van polaire groepen in ArPTU als een val fungeren, waardoor de verstrooiing van dragers aanzienlijk wordt vergroot, waardoor het geleidingsverlies bij een hoog elektrisch veld aanzienlijk wordt verminderd. De ArPTU is echter bros vanwege de stijve aromatische groepen, waardoor het ongeschikt is voor filmvoorbereiding met een groot oppervlak voor toepassingen met diëlektrische filmcondensatoren, met name de apparaten die zijn gebaseerd op rol-naar-rol-verwerking. Wat de filmvoorbereidingsmethode betreft, verschijnen er enkele nieuwe methoden zoals 3D-printen voor mogelijke voorbereiding van de diëlektrische laag [26, 27]. Het moet echter nog verder worden verbeterd voordat het kan worden toegepast op het filmproductieproces, met name voor composietdiëlektrica met een groot oppervlak.

Om deze problemen op te lossen, is in dit artikel een volledig organisch diëlektrisch materiaal van PVDF-TrFE-CFE/ArPTU bestudeerd om zowel een hoge energiedichtheid als efficiëntie te bereiken. Voorafgaand aan het compoundingproces werd de invloed van het molecuulgewicht op de prestaties van ArPTU in detail onderzocht om te voldoen aan het goede synergetische effect tussen twee polymeren, en dit zou waardevollere instructies opleveren om hoogwaardige en volledig organische diëlektrica te bouwen op basis van lineaire diëlektrische materialen. Vervolgens werd, door een kleine hoeveelheid ArPTU in de PVDF-TrFE-CFE-matrix te mengen, een eenvoudige methode voor het gieten van een oplossing gebruikt om composietfilms met een groot oppervlak te bereiden en diëlektrische composietfilms met een hoge energiedichtheid en efficiëntie werden bereikt. In het bijzonder is dit composietpolymeer gemakkelijk te verwerken, lichter in gewicht en goedkoper [28,29,30], wat een veelbelovende toekomst is als krachtige diëlektrische condensator- en energieopslagtoepassingen.

Materialen en methoden

Materialen

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

Polythioureumsynthese en filmvoorbereiding

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 driehalskolf met ronde bodem die eerder was gevuld met 40  ml NMP-oplosmiddel onder een N2 atmosfeer. Na 6 uur bij kamertemperatuur te hebben gereageerd, werd het 3-5 keer gewassen met methanol en vervolgens 12 uur in een vacuümoven bij 60°C gedroogd om het polythioureum te verkrijgen. Door de verhouding van de twee monomeren van het synthetische polythioureum te regelen, worden drie polythioureums met verschillende molecuulgewichten van A, B en C verkregen.

De PVDF-TrFE-CFE/ArPTU-composietfilms met verschillende verhoudingen werden bereid door middel van een oplossingsgietmethode. Eerst werd de vooraf berekende massa van ArPTU en PVDF-TrFE-CFE afzonderlijk opgelost in NMP-oplosmiddel om de overeenkomstige oplossing te vormen en gedurende 4 uur bij kamertemperatuur geroerd. Vervolgens werden oplossingen met verschillende massaverhoudingen afzonderlijk gemengd met de oplossing die in de vorige stap was bereid, en N2 werd geladen om bellen te vermijden die tijdens het mengen werden gegenereerd, en gedurende 6 uur bij kamertemperatuur geroerd. De film met uniforme dikte werd gevormd door een oplossingsgietmethode op de schone kwartsglasplaat en de composietfilms werden verkregen door 12 uur in een vacuüm bij 60 ° C te drogen.

Elektrische prestatietest

De unipolaire polarisatie-elektrisch veld hysteresis lussen van de diëlektrische polymeerfilms werden verkregen met behulp van Precision Multiferroic (Radiant) uitgerust met een 4000 V versterker bij kamertemperatuur en een frequentie van 10 Hz. Het rendement van de laad-ontlaadcyclus als functie van het aangelegde veld werd gegeven door de verhouding van de ontladen energie tot de opgeslagen elektrische energie. Diëlektrische constante en verlies van de diëlektrische polymeerfilms werden gemeten in een bereik van 100 Hz tot 1 MHz bij kamertemperatuur met Impedance Analyzer (Agilent 4294A). De doorslagveldsterkte van de diëlektrische polymeerfilms werd gemeten met een AC- en DC-weerstandsspanningsisolatieweerstandstester (TH9201) bij kamertemperatuur. De doorslagsterkte van de composietfilms werd bepaald door Weibull-distributiestatistieken.

Karakterisering van de materialen

Scanning-elektronenmicroscoop (SEM, Hitachi S-4800) werd gebruikt om de oppervlaktemorfologie van de diëlektrische polymeerfilms te observeren. De Fourier-transform infraroodspectroscopie (FTIR)-curven van de diëlektrische polymeerfilms werden waargenomen met een FTIR-spectrometer (8400S, Shimadzu) in het bereik van 400 tot 4000 cm −1 . De röntgendiffractiepatronen (XRD) van de diëlektrische polymeerfilms werden geregistreerd door een röntgenpoederdiffractometer (X'Pert Pro, Panalytical) met behulp van Cu Ka-straling.

Resultaten en discussies

Diëlektrische eigenschappen van ArPTU-films met verschillende molecuulgewichten

Het molecuulgewicht heeft een duidelijke invloed op de fysieke prestaties van ArPTU, met name de diëlektrische prestaties en verwerkbaarheid. Door de omstandigheden van de polycondensatiereactie te regelen, met name de verhouding van de twee monomeren, werd ArPTU met een verschillend molecuulgewicht gesynthetiseerd, zoals weergegeven in tabel 1 (A, B en C zijn polythioureumderivaten die worden gesynthetiseerd door de molaire verhouding PDTC/MDA (1/1) , PDTC/MDA (0,95/1), en PDTC/MDA (1,05/1). Door de molverhouding van de twee monomeren MDA en PDTC af te stemmen, namen het gewichtsgemiddelde molecuulgewicht en het aantalgemiddelde molecuulgewicht van drie ArPTU's achtereenvolgens af in de orde van A> B> C. Figuur 1 toont de diëlektrische constante en het diëlektrische verlies van verschillende moleculaire gewicht ArPTU-films als functie van frequentie. Het is te zien dat de diëlektrische constante van ArPTU-films met verschillende molecuulgewichten afneemt met toenemende frequentie. Dit komt omdat het ArPTU-molecuul een polaire groep-thioureumgroep heeft, en de dipolen die polarisatie in moleculen veranderen, dragen veel bij aan de diëlektrische constante. Naarmate de testfrequentie toeneemt, neemt de bijdrage van dipoolstuurpolarisatie af [31]. Vooral bij hoge frequenties kan de snelheid van dipoolbesturing de verandering van het elektrische veld niet bijhouden, waardoor de diëlektrische constante afneemt met toenemende testfrequentie.

De diëlektrische constante en het diëlektrische verlies van ArPTU-films met verschillende molecuulgewichten (A, B en C zijn polythioureumverbindingen die zijn gesynthetiseerd door de molaire verhouding PDTC/MDA (1/1), PDTC/MDA (0,95/1) en PDTC/MDA (1,05). /1))

Bij de testfrequentie van 1000 Hz neemt de diëlektrische constante van ArPTU-films met verschillend molecuulgewicht af in de orde van A (4,55)> B (4.15)> C (4,10), wat consistent is met de orde van molecuulgewicht van de drie ArPTU . De reden voor dit fenomeen kan het gevolg zijn van de gecoördineerde oriëntatie van de ArPTU-korrelgrenslaag-dipool in polymeren met een groot molecuulgewicht [32, 33]. In deze moleculaire structuur behoudt het moleculaire segment van de ArPTU-korrelgrenslaag niet alleen de uitlijningskenmerken van de kristallijne regiomoleculen, maar wordt het ook niet beperkt door het roosternetwerk. Daarom, in de ArPTU-films, hoe hoger de volumefractie van de korrelgrenslaag, hoe hoger de diëlektrische constante. De ArPTU-film met hoog molecuulgewicht die meer moleculen met lange ketens en de korrelgrenslaag bevat, zal ook meer volume innemen, wat resulteert in een hogere diëlektrische constante.

Zoals getoond in (Fig. 1), neemt het diëlektrische verlies van ArPTU-films met verschillende molecuulgewichten eerst af en neemt vervolgens toe met toenemende testfrequentie. In het 100-10.000  Hz domein neemt de DC-ionengeleiding af met toenemende testfrequentie, wat resulteert in een afname van het diëlektrisch verlies. Wanneer de testfrequentie hoger is dan 10.000 Hz, zorgt de dipoolrelaxatie ervoor dat het diëlektrische verlies toeneemt met de toename van de testfrequentie [34]. Het is duidelijk dat de diëlektrische verliescurven van de drie monsters niet veel verschillen, maar er is slechts een klein verschil in het hoogfrequente gebied. Met andere woorden, het molecuulgewicht van de ArPTU heeft weinig effect op het diëlektrische verlies van ArPTU-films.

De efficiëntie van de lading en ontlading van ArPTU-films met verschillende molecuulgewichten kan worden berekend door de hysteresislussen van unipolaire polarisatie-elektrisch veld te meten, zoals weergegeven in (Fig. 2). Het laad-ontlaadrendement neemt af met de toename van het aangelegde elektrische veld. Vergeleken met de ArPTU-film met hoog molecuulgewicht, neemt de efficiëntie van de lading en ontlading van de ArPTU-film met laag molecuulgewicht langzamer af. Onder het elektrische veld van 2000 KV/cm nam de lading-ontladingsefficiëntie van ArPTU-films met verschillende molecuulgewichten toe in de orde van A (83,35%)

De efficiëntie van de lading en ontlading van ArPTU-films met verschillende molecuulgewichten (A, B en C zijn polythioureumverbindingen die worden gesynthetiseerd door de molaire verhouding PDTC/MDA (1/1), PDTC/MDA (0,95 /1) en PDTC/MDA (1,05/ 1))

Figuur 3 is de XRD-curve van ArPTU-films met verschillende molecuulgewichten. De ArPTU-films met verschillende molecuulgewichten hebben relatief brede röntgendiffractiepieken bij 2θ ≅ 22 °, en de intensiteit van de pieken neemt af met de toename van het molecuulgewicht. Dit komt omdat ArPTU een amorfe structuur heeft en de ArPTU-film met hoger molecuulgewicht meer moleculen met een lange keten bevat, wat resulteert in een groter amorf gebied. Dienovereenkomstig nam de kristalliniteit in polymeerfilms af, wat resulteert in de verzwakking van de diffractiepiek [35, 36].

De XRD-curven van ArPTU-films met verschillende molecuulgewichten (A, B en C zijn polythioureumderivaten die zijn gesynthetiseerd door de molaire verhouding PDTC/MDA (1/1), PDTC/MDA (0,95/1) en PDTC/MDA (1,05/1) )

Karakterisering van PVDF-TrFE-CFE/ArPTU composietfilms

Figuur 4 toont de oppervlaktemorfologie van ArPTU, PVDF-TrFE-CFE en PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10), gekenmerkt door scanning-elektronenmicroscopie (SEM). Er kan worden waargenomen dat het oppervlak van de PVDF-TrFE-CFE-film een ​​dendritische structuur vertegenwoordigt, wat wijst op de hoge kristalliniteit ervan, die bestaat uit de XRD-resultaten. De ArPTU-film vertoont een zeer glad filmoppervlak en er verschijnen enkele kleine deeltjes op het oppervlak van de PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10) composietfilm. Het is duidelijk dat de domeinen van PVDF-TrFE-CFE zijn verkleind door ArPTU te mengen, dat ook uit de XRD-gegevens bestaat.

SEM afbeelding van verschillende films. een ArPTU. b PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10). c PVDF-TrFE-CFE. d PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (95/5)

De FTIR-curven van PVDF-TrFE-CFE / ArPTU-composietfilms met verschillende ArPTU-massaverhoudingen worden getoond in (Fig. 5a). De FTIR-curven laten zien dat de composietfilms met verschillende verhoudingen duidelijke absorptiepieken hebben bij 1230 cm −1 , resulterend uit de -HN-CS-NH- groep in polythioureum, wat het bestaan ​​van ArPTU in de composietfilms aantoont. De XRD-curven van PVDF-TrFE-CFE / ArPTU-composietfilms met verschillende samenstellingsverhoudingen worden getoond in (Fig. 5b). Het is te zien 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 diffractiepiek van de β-fase (110) en ( 200) kristalvlakken. De intensiteit van de diffractiepiek neemt af met de toename van het ArPTU-gehalte, wat betekent dat de kristalliniteit van de composietfilm afneemt naarmate het ArPTU-gehalte toeneemt. Bovendien hebben PVDF-TrFE-CFE-film en PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (95/5)-film een ​​zwakkere diffractiepiek bij 2θ ≅ 17,56°, en deze piek is de karakteristieke diffractiepiek van de α-fase (020) kristal vlak. Wanneer de massafractie van ArPTU meer dan 10% bereikt, verzwakte de kristallisatiepiek van de α-fase van PVDF-TrFE-CFE/ArPTU-composietfilms, wat aangeeft dat composietfilms langzaam transformeren naar een amorfe toestand met de toename van de ArPTU-component.

een De FTIR-curven van PVDF-TrFE-CFE/ArPTU-composietfilms met verschillende composietverhoudingen. b De XRD-curven van PVDF-TrFE-CFE/ArPTU-composietfilms met verschillende composietverhoudingen

Diëlektrische eigenschappen van PVDF-TrFE-CFE/ArPTU composietfilms

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

een Diëlektrische constante van ArPTU, PVDF-TrFE-CFE en PVDF-TrFE-CFE/ArPTU composietfilms. b Diëlektrisch verlies van ArPTU-, PVDF-TrFE-CFE- en PVDF-TrFE-CFE/ArPTU-composietfilms

Figuur 6b toont de relatie tussen diëlektrisch verlies en frequentie van de composietfilms met verschillende ArPTU-verhoudingen. Het kan worden gezien dat het diëlektrische verlies van alle composietfilms lager is dan die van PVDF-TrFE-CFE-film, wat aangeeft dat de toevoeging van ArPTU-moleculen het diëlektrische verlies van de PVDF-TrFE-CFE effectief kan verminderen. Dit wordt toegeschreven aan de thioureumeenheid in polythioureum die de interplanaire ruimte vergroot, en de dipolen in de polymeerketen hebben meer ruimte om vrij te roteren, wat dipoolrelaxatie effectief beperkt. Aangezien het diëlektrische verlies onder hoge frequenties voornamelijk afkomstig is van dipolaire relaxatie, geven de resultaten opnieuw aan dat de thioureumgroepen in ArPTU de dipoolrelaxatie kunnen beperken [37, 38].

De doorslagveldsterkte van diëlektrische films is een andere belangrijke parameter voor praktische condensatortoepassingen. De doorslagveldsterkte van de composietfilms met verschillende ArPTU-verhoudingen wordt gekenmerkt door Weibull-distributiestatistieken, die worden getoond 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, de door de Weibull-verdeling berekende doorslagveldsterkte was respectievelijk 467,5 MV/m, 324,6 MV/m, 366,9 MV/m, 407,6 MV/m en 302,4 MV/m. Het laat zien dat in vergelijking met de PVDF-TrFE-CFE-film, de doorslagveldsterkte van de composietfilms aanzienlijk wordt verbeterd door de introductie van ArPTU, en hoe meer ArPTU-inhoud, hoe hoger de doorslagveldsterkte van composietfilm wordt verkregen. De toevoeging van ArPTU verbetert de elektron-fononverstrooiing en elektron-dipoolverstrooiing in de composietfilms, wat resulteert in een aanzienlijk verbeterd doorslagveld [38]. Wanneer het ArPTU-gehalte echter wordt verhoogd tot 15%, neemt de doorslagveldsterkte van composiet af, wat te wijten kan zijn aan het delaminatieverschijnsel van twee polymeren, wat resulteert in meer defecten in composiet en dienovereenkomstig de vermindering van de doorslagveldsterkte. Daarom zal de juiste toevoeging van ArPTU de doorslagveldsterkte van hoge diëlektrische PVDF-TrFE-CFE-films effectief verbeteren.

Weibull-uitsplitsing van ArPTU-, PVDF-TrFE-CFE- en PVDF-TrFE-CFE/ArPTU-composietfilms

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 neemt af met de toename van het ArPTU-gehalte. De resterende polarisatie van de composietfilms met drie verschillende verhoudingen neemt af ten opzichte van de PVDF-TrFE-CFE-film, wat aangeeft dat de toevoeging van ArPTU-moleculen de vroege polarisatieverzadiging van PVDF-TrFE-CFE effectief kan remmen, wat resulteert in een hogere laad-ontlaadefficiëntie .

Unipolaire polarisatie-elektrisch veld hysteresis lussen. een ArPTU. b PVDF-TrFE-CFE. c PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (95/5). d PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10). e PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (85/15)

In praktische toepassingen is het laad-ontlaadrendement een andere belangrijke karakteristieke parameter van diëlektrische materialen vanwege het verlies van energie dat altijd leidt tot verwarming en de prestaties en betrouwbaarheid van de condensator schaadt. Figuur 9 toont de efficiëntie van de lading en ontlading 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 het laad-ontlaadrendement nam af van 77 tot 58%, voornamelijk als gevolg van het ferro-elektrische hystereseverlies onder een hoog elektrisch veld. Het laad-ontlaadrendement van composietfilms met verschillende ArPTU-verhoudingen is aanzienlijk hoger dan die van de PVDF-TrFE-CFE-film. De PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10)-film behoudt 72% laad-ontlaadefficiëntie bij een elektrisch veld van 2000 KV/cm. Bij 2000 KV/cm vertoont de composiet een hoge energiedichtheid met 5,31 J/cm 3 , wat veel hoger is dan BOPP-films voor praktisch gebruik. De toevoeging van ArPTU verandert de moleculaire structuur van PVDF-TrFE-CFE en voorkomt dat PVDF-TrFE-CFE voortijdig polarisatieverzadiging bereikt. Er is ook gevonden dat de juiste toevoegingsverhouding van ArPTU een duidelijke invloed heeft op de lading-ontladingsefficiëntie van composietfilms. Het composiet met een verhouding van 85/15 heeft een relatief lage lading-ontladingsefficiëntie vanwege het hoge ArPTU-gehalte, wat het gevolg kan zijn van het delaminatieverschijnsel van twee polymeren.

Laad-ontlaadefficiëntie van PVDF-TrFE-CFE/ArPTU composietfilms met verschillende composietverhoudingen

De energiedichtheid van PVDF-TrFE-CFE/ArPTU-composietfilms met verschillende composietverhoudingen wordt getoond in figuur 10a. De verbetering van de opslagdichtheid van de composietfilms ten opzichte van de ArPTU-film is het resultaat van de diëlektrische constante prestatie van de composietfilms. Het is te zien dat in vergelijking met de pure ArPTU-film, de PVDF-TrFE-CFE/ArPTU-composietfilms een hogere energiedichtheid hebben bij hetzelfde elektrische veld vanwege de verbeterde diëlektrische 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/cm 3 bij 4076 KV/cm. Vergeleken met PVDF-TrFE-CTFE/ArPTU composietfilms (19,2 J/cm 3 ) [37], toont de film in ons werk een hogere energieopslagdichtheid. Hoewel de films in ons werk een iets lagere doorslagspanning laten zien, zorgt een hogere diëlektrische constante voor een grote verbetering van de energieopslagdichtheid. Er moet dus een afweging worden gemaakt tussen doorslagsterkte en diëlektrische constante bij het construeren van composietfilms met hoge energiedichtheid. Bovendien, gezien de ontladingsenergiedichtheid, wijst ons werk ook op een hoog concurrentievermogen met de hoogste ontladingsenergiedichtheid, die wordt getoond in figuur 10b. Vergeleken met de organisch-anorganische composietfilms, kunnen de organische composietfilms de energieopslagdichtheid en efficiëntie van de film efficiënter verbeteren en zijn ze haalbaar in praktische toepassingen voor de fabricage van roll-to-toll-apparaten [41, 42]. Door het molecuulgewicht en de toevoegingsverhouding van ArPTU op de juiste manier te regelen, kunnen hoogwaardige organische diëlektrica op basis van PVDF-TrFE-CFE/ArPTU met een hoge energiedichtheid, een hoge doorslagveldsterkte, een laag diëlektrisch verlies en een hoger laad-ontlaadrendement worden gebouwd. Van deze hoogwaardige polymeerfilm is bewezen dat het veelbelovende diëlektrische materialen zijn voor toepassingen met filmcondensatoren met een hoge vermogensdichtheid.

een De energiedichtheid van PVDF-TrFE-CFE/ArPTU composietfilms met verschillende composietverhoudingen. b Vergelijking van de ontladingsenergiedichtheid van onze werken met gerapporteerde werken [39, 40]

Conclusie

ArPTU werd geïntroduceerd in PVDF-TrFE-CFE/ArPTU om samengestelde diëlektrische films te maken via een oplossingsgietmethode. Vergeleken met PVDF-TrFE-CFE-film hebben PVDF-TrFE-CFE/ArPTU-composietfilms een hogere doorslagveldsterkte, een hogere laad- en ontlaadefficiëntie en een lager diëlektrisch verlies. Een hogere doorslagveldsterkte betekent een toename van de energieopslagdichtheid. De PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10) composietfilm heeft een opslagdichtheid van 22,06 J/cm 3 bij 407,57 MV/m. De verbetering van de diëlektrische eigenschappen van de composietfilms houdt verband met veranderingen in de kristalstructuur. De uitstekende diëlektrische eigenschappen en het eenvoudige voorbereidingsproces van PVDF-TrFE-CFE/ArPTU-composietfilms maken het een belangrijke onderzoeksdoorbraak voor toekomstige diëlektrische materialen en een veelbelovend toepassingsperspectief voor apparaten voor energieopslag.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Alle datasets worden gepresenteerd in de hoofdpaper of in de aanvullende ondersteunende bestanden.

Afkortingen

AC:

Wisselstroom

ArPTU:

Aromatische polythioureum

BOPP:

Biaxiaal georiënteerd polypropyleen

CFE:

Chloorfluorethyleen

DC:

Gelijkstroom

MDA:

4,4′-difenylmethaandiamine

NMP:

N -Methylpyrrolidon

PDTC:

p -Fenyleendiisothiocyanaat

PVDF:

Poly(vinylideenfluoride)

PVDF-TrFE:

Poly(vinylideenfluoride-trifluorethyleen)

PVDF-TrFE-CFE:

Poly(vinylideenfluoride-trifluorethyleen-chloorfluorethyleen)

PVDF-TrFE-CTFE:

Poly(vinylideenfluoride-trifluorethyleen-chloortrifluorethyleen)


Nanomaterialen

  • Metaal
  • Hars
  • vezel
  • Samengesteld materiaal
  • Nanomaterialen
  • Polymeer materialen
  • Biologie
  • kleurstof
  • Kruiden
    1. Elektrospun polymeer nanovezels versierd met edele metalen nanodeeltjes voor chemische detectie
    2. Verwarmde diëlektroforese voor uitgelijnde enkelwandige koolstof nanobuisfilm met ultrahoge dichtheid
    3. Hoge-orde diëlektrische metasurfaces voor zeer efficiënte polarisatiestraalsplitters en optische vortexgeneratoren
    4. Vervaardiging van putten op nanoschaal met hoge doorvoer op dunne polymeerfilm met behulp van AFM-tipgebaseerde dynamische ploeglithografie
    5. Op trifenylfosfine gebaseerd functioneel poreus polymeer als een efficiënte heterogene katalysator voor de synthese van cyclische carbonaten uit CO2
    6. Elektrisch geleidende nanovezelcomposiet van TPU met hoge rekbaarheid voor flexibele reksensor
    7. Ultragevoelige reksensor op basis van flexibele piëzo-elektrische poly(vinylideenfluoride)film
    8. Verbeterde energetische prestaties op basis van integratie met de Al/PTFE-nanolaminaten
    9. In situ groei van metaalsulfide-nanokristallen in poly(3-hexylthiofeen):[6,6]-fenyl-C61-boterzuurmethylesterfilms voor Omgekeerde hybride zonnecellen met verbeterde fotostroom
    10. Eenvoudige synthese van met stikstof gedoteerde microporeuze koolstofbollen voor hoogwaardige symmetrische supercondensatoren
    11. Theoretisch systeem van contact-mode tribo-elektrische nanogeneratoren voor een hoge energieconversie-efficiëntie