摘 要

能源需求的不断增长以及化石燃料的不断枯竭迫切需要提高能源的使用效率和加快寻求可持续和可再生资源。太阳能、风能、潮汐能等可再生能源在自然界中存储量大，但同时具有分散程度高、不稳定和间歇性等限制其充分利用的缺点。正是由于这种生产和消费的需求，开发新的、低成本和环境友好的能量转换和存储系统至关重要。在现有的电能储存装置中，介质电容器由于其极快的能量吸收和输送速度而具有固有的高功率密度，对超快速充放电能力起着至关重要的作用。因此，介质电容器在混合动力汽车、医疗设备、脉冲调节器、电磁武器系统等电子电气领域具有很大的应用前景。但介质电容器具有高功率密度，制备工艺简单，耐受电压高等优点的同时，储能密度较低。因此，寻找能显著提高储能密度的解决方案，以实现介质电容器的小型化、低成本和大规模应用是至关重要的。

本次实验，将以BN和Ca₂Nb₃O₁₀二维纳米片为填料，PVDF为聚合物基体，通过流延法制得BN/Ca₂Nb₃O₁₀/ PVDF复合电介质材料。期望通过研究填料含量对复合材料介电常数、击穿场强、储能密度等各方面性能的影响，开发出新型有机/无机柔性复合电介质材料。

关键词：电容器；储能密度；电介质材料；纳米片

Abstract

The increasing demand for energy and the depletion of fossil fuels urgently need to improve energy efficiency and accelerate the search for sustainable and renewable resources. Renewable energy such as solar energy, wind energy and tidal energy has a large storage capacity in nature, but at the same time, it has the disadvantages of high dispersion, instability and intermittent, which limit its full utilization. Because of this demand for production and consumption, it is essential to develop new, low-cost and environmentally friendly energy conversion and storage systems. In the existing energy storage devices, dielectric capacitors have inherent high energy density due to their extremely fast energy absorption and transmission speed, and play a vital role in the ultra-fast charging and discharging capacity. Therefore, dielectric capacitors have great application prospects in electric and electronic fields such as hybrid electric vehicles, medical equipment, pulse regulators, electromagnetic weapon systems and so on. However, dielectric capacitors have the advantages of high energy density, simple fabrication process, high voltage tolerance and low energy storage density. Therefore, it is very important to find solutions that can significantly improve the energy storage density in order to realize the miniaturization, low cost and large-scale application of dielectric capacitors.

In this experiment, BN/Ca₂Nb₃O₁₀/PVDF composite dielectric materials were prepared by casting method with BN and Ca₂Nb₃O₁₀ two-dimensional nanosheets as fillers and PVDF as polymer matrix. It is expected to develop a new type of organic/inorganic flexible composite dielectric material by studying the influence of filler content on the dielectric constant, breakdown field strength and storage density of composite materials.

Key Words：capacitor; energy storage density; dielectric material; nanosheets

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 能源现状与储能方式概述 2

1.3 电容器概述 2

1.3.1 电容器的组成 2

1.3.2 电容器的工作原理 2

1.4 电介质材料概述 3

1.5 本课题主要研究内容及意义 4

第2章 实验材料的制备与表征 6

2.1 实验设备和药品 6

2.1.1实验设备 6

2.1.2 实验药品 6

2.2 Ca₂Nb₃O₁₀二维纳米片的制备与表征 7

2.2.1 Ca₂Nb₃O₁₀二维纳米片的制备 7

2.2.2 Ca₂Nb₃O₁₀二维纳米片的显微结构 8

2.3 BN二维纳米片的制备与表征 9

2.3.1 BN二维纳米片的介绍 9

2.3.2 BN二维纳米片的显微结构 9

第3章 实验样品的制备与表征 11

3.1 纯PVDF膜的制备与表征 11

3.1.1 PVDF膜的制备 11

3.1.2 PVDF膜的显微结构分析 12

3.1.3 PVDF膜的D-E回线的测试与分析 13

3.1.4 PVDF膜的介电常数和介电损耗的测试与分析 13

3.1.5 PVDF膜的储能性能的计算与分析 14

3.2 Ca₂Nb₃O₁₀/PVDF复合膜的制备与表征 14

3.2.1 Ca₂Nb₃O₁₀/PVDF复合膜的制备 14

3.2.2 Ca₂Nb₃O₁₀/PVDF复合膜的显微结构分析 15

3.2.3 Ca₂Nb₃O₁₀/PVDF复合膜的D-E回线的测试与分析 16

3.2.4 Ca₂Nb₃O₁₀/PVDF复合膜的介电常数和介电损耗的测试与分析 17

3.2.5 Ca₂Nb₃O₁₀/PVDF复合膜的储能性能的计算与分析 18

3.3 BN/PVDF复合膜的制备与表征 19

3.3.1 BN/PVDF复合膜的制备 19

3.3.2 BN/PVDF复合膜的显微结构分析 20

3.3.3 BN/PVDF复合膜的D-E回线的测试与分析 20

3.3.4 BN/PVDF复合膜的介电常数和介电损耗的测试与分析 22

3.3.5 BN/PVDF复合膜的储能性能的计算与分析 22

3.4 BN/Ca₂Nb₃O₁₀/ PVDF复合膜的制备与表征 23

3.4.1 BN/Ca₂Nb₃O₁₀/ PVDF复合膜的制备 23

3.4.2 BN/Ca₂Nb₃O₁₀/PVDF复合膜的显微结构分析 24

3.4.3 BN/Ca₂Nb₃O₁₀/PVDF复合膜的D-E回线的测试与分析 24

3.4.4 BN/Ca₂Nb₃O₁₀/PVDF复合膜的介电常数和介电损耗的测试与分析 26

3.4.5 BN/Ca₂Nb₃O₁₀/PVDF复合膜的储能性能的计算与分析 27

第4章 结论与展望 28

4.1 结论 28

4.2 展望 28

参考文献 30

致 谢 32

第1章 绪论

1.1 引言

随着高能量密度聚合物研究的不断深入，含有无机物的高能量密度聚合物基纳米复合材料得到了显著的发展。具有优异介电性能的柔性聚合物基纳米复合材料被证明在高性能电容器中作为储能介电层具有很大的前景。这些材料通常由分散在柔性聚合物基体中的纳米级填料组成，使得纳米填料的物理和化学特性以及纳米填料与聚合物之间的相互作用对微结构和最终性质具有关键影响^[1]。聚合物以其高击穿场强而著称，而无机材料（例如，陶瓷）则可以实现极高的极化值。低负载纳米填料形成复合物的同时而不牺牲一些聚合物固有的性质，如密度、柔韧性和易加工性。此外，当界面能垒来自范德华力驱动的纳米粒子聚集时，纳米复合材料中填充剂的间距可以保持在纳米范围内，并且填料将在化学和物理上与聚合物基质相互作用，从而导致中间或介观特性的出现。界面处的这种介观特性总是带来出乎意料的纳米复合材料的宏观特性。因此，结合聚合物高击穿强度和无机材料高极化值可能获得单个材料无法实现的高能量密度。这种方法有两个独特的优势。第一，纳米复合材料中巨大的界面可以促进界面交换耦合，从而提高纳米复合材料的极化值和极化率。第二，使用纳米填料最大限度地减少了复合材料的宏观不均匀性，并确保了高介电性。然而，要在保持高击穿强度的同时获得高介电常数，实际上是一个非常巨大的挑战。纳米复合材料的介电性能取决于多种因素，如填料/基体界面和填料的各向异性，其中陶瓷填料和聚合物基质之间的界面被认为是决定纳米复合材料的介电性能的主要因素^[2]。这些因素研究控制起来非常复杂。此外，电击穿情况下的电子主要来源于基体材料中的不稳定成分，聚合物基体的介电常数与无机填料的介电常数存在着较大的差异，在复合材料的界面处很容易积累空间电荷，从而导致局部电场的显著增强，降低了复合材料的击穿强度。

用于介电聚合物纳米复合材料的填料主要分为两类：非导电填料和导电填料。当使用导电纳米材料作为填料时，复合材料的介电性能主要由渗流行为决定。当导电填料的浓度达到临界体积分布时，颗粒之间往往相互接触，在纳米复合材料中形成导电路径，这与介电纳米复合材料从绝缘状态到导电状态的转变有关。在非常接近但仍低于渗流阈值的浓度下，纳米复合材料的介电常数可以显著增加。但由于这种增强总是与从绝缘体到导体的过渡相关联，导致很高的介电损耗和漏电流，在填充有导电纳米填料的复合材料中仍然很难获得高能量密度^[2]。与导电纳米颗粒相比，非导电纳米材料已广泛应用于复合材料。在这样的纳米复合材料中，随着逾渗的出现，电性能没有实质性变化，这提供了更大的耐受性和调节介电性能并实现高能量密度的可能性。