论文总字数：24256字

摘 要

相比于其他的储能装置，静电电容器是唯一一种能够提供兆瓦级功率密度、低损耗以及超高工作电压的能量存储器，它们在高频逆变器和脉冲发电等现代电子电气设备中有着广泛的应用。然而，它们的储能密度较低，如目前商业化的双轴取向聚丙烯仅有2J/cm³的储能密度。

为了提高电容器中电介质材料的储能密度，本课题将具有高击穿场强、高温度稳定性的聚醚酰亚胺(PEI)与具有高介电常数、低介电损耗的锆钛酸钡纳米纤维(BZT_nfs)相结合，通过流延法制备出聚合物纳米复合薄膜，探究了纳米纤维的体积分数、长径比和温度等条件对其性能的影响。

在探究过程中，首先对复合薄膜进行了SEM和XRD的表征，然后分析了薄膜的介电性能、铁电性能以及储能密度。研究结果表明：在纤维的体积分数低于1 vol.%时，薄膜在维持较高击穿场强的同时具有显著提高的介电常数；当体积分数为1 vol.%时性能达到最佳，储能密度由纯PEI薄膜的3.95 J/cm³提高到了4.78 J/cm³，具有21%的提升。同时，复合薄膜具有很高的温度稳定性，在100℃以下时能够维持300 kV/mm的击穿场强和2.6 J/cm³的储能密度。此外还发现，大长径比的纤维可以进一步提高复合薄膜的击穿场强。

关键词：纳米纤维；复合薄膜；储能密度；高温；介电

Abstract

Compared with other energy storage devices, electrostatic capacitors are the only energy storage that can provide megawatt-level power density, low loss, and ultra-high operating voltage. They are used in modern electronic and electrical equipment such as high-frequency inverters and pulse power generation. They have a wide range of applications. However, their energy storage density is relatively low. For example, the currently commercialized biaxially oriented polypropylene has only an energy storage density of 2 J/cm³.

In order to improve the energy storage density of dielectric materials in capacitors, this subject will use polyetherimide (PEI) with high breakdown field strength and high temperature stability, and barium zirconate titanate with high dielectric constant and low dielectric loss. Combined with nanofibers (BZT_nfs), polymer nanocomposite films were prepared by casting method, and the effects of volume fraction, aspect ratio and temperature of nanofibers on its properties were explored.

During the investigation, the composite films were first characterized by SEM and XRD, and then the dielectric properties, ferroelectric properties and energy storage density of the films were analyzed. The results show that: when the volume fraction of the fiber is less than 1 vol.%, The film has a significantly improved dielectric constant while maintaining a high breakdown field strength; when the volume fraction is 1 vol.%, The performance is optimal The energy storage density has increased from 3.95 J/cm³ to 4.78 J/cm³ for pure PEI films, with a 21% improvement. At the same time, the composite film has high temperature stability, and can maintain a breakdown field strength of 300 kV/mm and an energy storage density of 2.6 J/cm3 below 100°C. It was further discovered that fibers with large aspect ratios can further increase the breakdown field strength of composite films.

Key words：nanofibers；composite film；energy density；high temperature；dielectric

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 电介质物理基础 1

1.2.1 电介质的定义 1

1.2.2 电介质的相对介电常数 1

1.2.3 电介质的极化 2

1.2.4 电介质的击穿和介电损耗 2

1.2.5 储能密度的计算 3

1.3 国内外的研究现状 3

1.4 研究思路及内容 5

第二章 实验试剂及表征方法 6

2.1 实验所用试剂 6

2.2 实验主要表征方法 6

2.2.1 扫描电子显微镜 6

2.2.2 X射线衍射 6

2.2.3 蒸镀电极 6

2.2.4 铁电性能测试系统 6

2.2.5 介电性能测试系统 6

2.2.6 傅里叶红外测试系统 7

第三章 锆钛酸钡纳米纤维的制备及表征 8

3.1 锆钛酸钡陶瓷的特性 8

3.2 锆钛酸钡纳米纤维的制备 8

3.2.1 静电纺丝技术理论基础 8

3.2.2 静电纺丝法制备锆钛酸钡的纳米纤维 9

3.3 锆钛酸钡纳米纤维的形貌和结构表征 10

3.3.1 锆钛酸钡纳米纤维的形貌分析 10

3.3.2 锆钛酸钡纳米纤维的结构表征 10

第四章 PEI聚合物薄膜的制备及性能 12

4.1 PEI聚合物薄膜的制备 12

4.2 PEI聚合物薄膜的表征 12

4.3 PEI聚合物薄膜的性能研究 12

4.3.1 介电性能的分析 13

4.3.2 铁电性能的分析 13

4.3.3 储能密度的分析 14

第五章 BZT_nfs/PEI聚合物纳米复合薄膜的制备及性能 15

5.1 BZT_nfs的表面改性及表征 15

5.2 BZT_nfs/PEI聚合物纳米复合薄膜的制备 16

5.3 BZT_nfs/PEI聚合物纳米复合薄膜的形貌和结构表征 16

5.4 BZT_nfs/PEI聚合物纳米复合薄膜的性能研究 18

5.4.1 介电性能的分析 18

5.4.2 铁电性能的分析 18

5.4.3 储能密度的分析 19

第六章 温度和纳米纤维长径比对复合薄膜性能的影响 21

6.1 温度的影响 21

6.1.1 不同温度下薄膜的介电性能 21

6.1.2 不同温度下薄膜的铁电性能 21

6.1.3 不同温度下薄膜的储能密度 22

6.2 BZT_nfs长径比的影响 23

6.2.1 不同长径比的BZT_nfs的制备 23

6.2.2 不同长径比下薄膜的介电性能 23

6.2.3 不同长径比下薄膜的铁电性能 24

6.2.4 不同长径比下薄膜的储能性能 25

第七章 结论 26

参考文献 27

致 谢 29

附录1 30

附录2 31

第一章 绪论

1.1 研究背景

电力是现代工业和社会发展的重要支柱。电能的存储旨在应对化石燃料的逐渐枯竭和全球变暖的自然挑战，发展合理利用能源的重要科学技术。随着社会的发展和技术的进步，静电储能装置（即介电电容器）因为有着超快的充放电能力，更低的损耗以及更高的工作电压，并且它的生产成本低、安全系数高，在现代电子电器系统中起着至关重要的作用。介电电容器以有着优异的电、机械和热学性能的电介质材料作为主体，目前，电介质材料已经引起了人们的广泛关注^[1-3]。

目前常用的电介质材料主要有聚合物和陶瓷这两大类，传统的高介电陶瓷，如钛酸钡等拥有上千的高介电常数，但其过低的击穿场强、较大的脆性以及高温下的烧结工艺限制了它进一步的发展。相比于无机陶瓷，聚合物电介质易于加工并且有着良好的柔韧性和很高的击穿场强，但是它们的介电常数往往十分低（通常小于10），同样也不能满足人们对能量存储装置日益增长的需求^[4]。在传统的高介电陶瓷和聚合物电介质材料都不完美的情况下，人们开始将目光转向以聚合物为基体、无机陶瓷颗粒作为填料的聚合物纳米复合电介质材料。人们企图在复合材料中利用复合效应，在维持聚合物基体高击穿场强的同时，引入无机填料来增加复合材料的介电常数，从而保持材料的低介电损耗并获得较高的储能密度。

1.2 电介质物理基础

1.2.1 电介质的定义

凡在外电场作用下产生宏观上不等于0的电偶极矩因而形成宏观束缚电荷的现象称为电极化，能产生电极化现象的物质统称为电介质。

电介质可分为极性电介质和非极性电介质，它们在无外电场时整体都呈现电中性，但是极性电介质内部的电荷并不是均匀分布的，是由于分子的无规则运动使得整体的电偶极矩矢量和为0；而对于非极性电介质，其内部电荷是均匀分布的。

1.2.2 电介质的相对介电常数

当一个真空平行板电容器的电极间嵌入一块电介质后，再在电极之间施加一个外电场时，在电介质的表面就会感应出电荷，这种电荷称为感应电荷。

对于一块真空的平行板电容器来说，其电容C₀可以表示为：

(1.1)

式中S为平行板电容器的面积，d为极板的板间距，ε₀为真空下的介电常数（其值为8.854×10^-12 F·m^-1）。如果将电介质层插入到真空平行电容器中，则该电容器的电容

(1.2)

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