论文总字数：25731字

摘 要

聚合物薄膜介电电容器凭借着密度高，循环稳定性能良好和放电速度快等特点，已在电力系统中成为必不可少的元器件。然而现代化先进技术要求高储能密度的电介质材料，聚合物由于储能密度低而阻碍了其发展。目前，所研究的新型聚合物基电介质复合材料尽管在储能密度上仍有较大提升，但是在击穿场强度等关键性能上还存在缺陷。因此开发一种兼具高储能密度、高击穿场强的电介质材料已成为迫切需求。

本论文对熔融法制备的f-PPTA/PVDF复合材料的结构、介电、储能进行了分析。结果表明：通过熔融共混制备的f-PPTA/PVDF复合薄膜，在退火8h时致密性最好。同时，在退火8h时介电常数和击穿场强度同时提高，放电能量密度也达最大值，为16.5 J/cm^-3。

本论文拟制备一种兼具高储能密度和高击穿场强的聚丙烯基复合材料。PP由于其优异的介电性能而长期以来被用作电容器中的介电材料。通过掺入f-PPTA，可以大大提高PP的介电常数，这有利于制备高能量密度的电容器。然而，有关f-PPTA/PP复合材料介电性能和应用的研究在文献中很少。本论文以f-PPTA为填料，以PP为基体制备复合材料，f-PPTA/PP复合材料通过熔融法制备。通过对f-PPTA/PVDF共混薄膜的研究可预测，在PP基体中引入f-PPTA作为填料，可以有效提升复合材料的介电常数和储能密度。

关键词：聚丙烯；聚对苯二甲酰对苯二胺；储能密度；击穿强度

Abstract

Polymer film dielectric capacitors have become indispensable components in power systems due to their high density, good cycle stability and fast discharge speed. However, modern advanced technology requires dielectric materials with high energy storage density. Polymers are hindered by their low energy storage density. At present, although the new polymer-based dielectric composites studied still have a large increase in energy storage density, they still have defects in key performances such as breakdown field strength. Therefore, the development of a dielectric material with high energy storage density and high breakdown field strength has become an urgent need.

This paper analyzes the structure, dielectric and energy storage of f-PPTA/PVDF composites prepared by the fusion method. The results show that the f-PPTA/PVDF composite film prepared by melt blending has the best density after annealing for 8 hours. At the same time, the dielectric constant and breakdown field strength increased at the same time during 8 hours of annealing, and the discharge energy density also reached the maximum value, which was 16.5 J/cm-3.

This paper intends to prepare a polypropylene-based composite material with high energy storage density and high breakdown field strength. PP has long been used as a dielectric material in capacitors due to its excellent dielectric properties. By incorporating f-PPTA, the dielectric constant of PP can be greatly improved, which is beneficial to the preparation of capacitors with high energy density. However, there are few studies on the dielectric properties and applications of f-PPTA/PP composites in the literature. In this paper, f-PPTA is used as a filler and PP is used as a matrix to prepare composite materials, and f-PPTA/PP composite materials are prepared by a melting method. Through the study of f-PPTA/PVDF blended film, it can be predicted that the introduction of f-PPTA as a filler in the PP matrix can effectively improve the dielectric constant and energy storage density of the composite.

Key Words：Polypropylene; Poly(p-phenylene terephthalamide); Energy storage density; Breakdown strength

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 电介质材料的储能机理 2

1.3 电介质材料的关键参数 4

1.3.1 电介质的介电常数 4

1.3.2 电介质的介电损耗 4

1.3.3 电介质的击穿场强 5

1.4 聚合物基电介质材料的研究进展 6

1.4.1 有机-无机复合电介质材料 6

1.4.2 导电填料/聚合物复合材料 8

1.4.3 全有机复合电介质材料 8

1.5 芳纶纤维的研究进展 10

1.6 本论文的研究目的和意义 11

第2章实验方法及测试技术 12

2.1 实验原料 12

2.2 实验仪器及测试设备 12

2.3 实验步骤 12

2.4 测试方法 13

第3章结果和讨论 14

3.1 f-PPTA/PVDF共混薄膜的FTIR分析 14

3.2 f-PPTA/PVDF共混薄膜的晶型分析 15

3.3 f-PPTA/PVDF共混薄膜的断面结构分析 15

3.4 f-PPTA/PVDF共混薄膜的介电性能分析 16

3.5 f-PPTA/PVDF共混薄膜的击穿性能分析 17

3.6 f-PPTA/PVDF共混薄膜的储能性能分析 17

第4章可行性分析 19

参考文献 21

致 谢 25

第1章 绪论

1.1 引言

在当今电能早已成为人们不可或缺的必需品，化石资源的枯竭使得开发和使用“绿色”新能源成为社会进步和发展的必然选择。因此，人们把目光转移到了太阳能、水能、风能、地热能、潮汐能和生物质能等可持续能源上，这些分散而不稳定的新能源如何得到有效利用并且如何经济有效地进行转换和保存，是当前研究的热点^[1]。​

常用的电能储能器件有电池、电化学超级电容器、电介质电容器等。具有高能量密度和稳定的能量输出的电池目前是现代电子产品中使用范围最广的电能储能器件。但是，它的功率密度不高，废旧电池对环境的危害很大^[2]；电化学超级电容器具有中等的能量和功率密度，但是它们的工作电压低，泄漏电流高并且寿命有限。这些缺点使它们不适合应用于脉冲功率系统中。而介电电容器具有高功率密度，优异的循环稳定性，可过度放电存储和优异的柔韧性等优点，因而被广泛用于现代电子电力设备中^[3]。如图1显示了美国的电容器，电阻器和电感器的市场份额。

图1.电容器，电阻器和电感器的市场份额

近几十年微电子集成技术蓬勃发展，电子电路想顺应全球化趋势，必须要求材料具有更高的性能。而效率的快速提高与新型高介电常数材料的产生密切相关。介电常数高的材料比介电常数低的材料可以存储更多的电能。除电子工业外，高介电常数材料广泛用于民用和军用，包括水下导航和监视，水听器，生物医学成像，无损检测和空中成像等^[4]。例如，高介电常数弹性橡胶基复合材料可以用作电气工程中电缆附件的功能材料，因为它们可以平衡电缆终端的电场分布，以防止电缆发生故障。

随着电容器技术的发展，高能量密度的介电材料取得了巨大的进步。具有高硬度和热稳定性好的陶瓷和金属具有高介电常数，但是由于脆性和难度很高的加工条件，阻碍了它们在高介电材料领域的应用。而高分子材料，例如聚偏二氟乙烯（PVDF），聚丙烯（PP），聚酰亚胺（PI）和聚苯硫醚（PPS），由于它们的本征特点，例如高击穿强度、易加工性、低廉性以及低介电损耗等，引起了人们的关注^[5-8]。此外，将电阻器和电容器集成到印刷电路板（PWB）的内部结构中，或直接集成到集成电路封装中，这需要用作电子电路支撑体的聚合物兼容材料^[9-12]。聚合物基复合材料（PMC）的机械柔韧性和可调性极其具有潜力。聚合物材料也可用于机电装置在电形式和机械形式之间进行能量转换。这些设备可以用作人造肌肉，用于减阻的智能皮肤，用于主动噪声和振动控制的执行器，以及用于药物输送和微反应器的微流体系统^[13-16]。然而，大多数当前的聚合物介电材料具有较低的能量存储密度，并且不能满足现代先进的功率和能量系统的要求。所研究的新型聚合物基电介质复合材料尽管在储能密度上仍有较大提升，但是其在击穿强度等关键性能上还存在缺陷。因此开发一种兼具高储能密度和高击穿强度的电介质材料成为迫切需求。

1.2 电介质材料的储能机理

电容器以静电场的形式存储能量。根据经典电磁理论，材料的储能密度定义为电介质单位体积中包含的电能。电场强度对电能有很大的影响，应用于普通材料的电场强度越高，材料的储能密度就越高，在击穿场强附近达到最大。

根据电介质的热力学关系，电介质材料的储能密度U可以表示为^[17]：

（1）

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