摘 要

当今社会，压电材料已经得到普遍研究，传统的压电材料抗冲击性能差、性脆、密度大、加工成型困难等，使得压电陶瓷的应用有了限制。聚合物虽然能满足了柔性、易加工方向的需求，但本身压电系数不高制约其应用。于是人们为了克服压电陶瓷与压电聚合物单独存在的缺点，压电材料开始逐渐向压电复合材料发展。压电复合材料不仅具备陶瓷高压电系数的优点，而且还保留了聚合物密度小、易加工的特点。

本论文以介电常数相对较高的PA11作为基体，以剥离后的二硫化钼纳米片作为填充材料制备了PA11/MoS₂纳米复合材料，并且通过各种探究测试复合材料的各种性能。主要研究结果如下：

（1）采用机械力剥离法剥离制备了二硫化钼纳米片，并通过TEM对其进行表征，可以观察到已经成功剥离的二硫化钼纳米层。

（2）通过热压法制备了PA11/MoS₂复合材料，并通过XRD、SEM对其进行表征，实验发现二硫化钼可以均匀的分散到尼龙11基体中去。

（3）对复合材料进行了介电性能测试以及压电性能测试，研究二硫化钼填入量对复合材料性能的影响。实验发现二硫化钼填充量为2wt%时，介电击穿强度可以达到33.2MV/m，压电常数可以达到5，增长了66.7%，介电损耗降低，能很好地提高复合材料的性能。

关键词：二硫化钼纳米片、尼龙11、复合材料、介电性能、压电性能

Abstract

In today's society, piezoelectric materials have been widely studied. The traditional piezoelectric materials have poor impact resistance, brittleness, high density, and difficulty in processing and forming, which makes the application of piezoelectric ceramics limited. Although the polymer can meet the requirements of flexibility and easy processing direction, the piezoelectric coefficient itself is not high and its application is restricted. Therefore, in order to overcome the disadvantages of piezoelectric ceramics and piezoelectric polymers alone, piezoelectric materials have gradually developed into piezoelectric composite materials. Piezoelectric composites not only have the advantage of high piezoelectric coefficient of ceramics, but also retain the characteristics of small polymer density and easy processing.

In this dissertation, PA11 with a relatively high dielectric constant was used as the substrate. PA11/MoS₂ nanocomposites were prepared using exfoliated molybdenum disulfide nanosheets as filling materials. Various properties of the composites were tested through various investigations. The main research contents and results are as follows:

(1) The molybdenum disulfide nanosheets were prepared by mechanical peeling and characterized by TEM. The molybdenum disulfide nanolayers that had been successfully stripped were observed.

(2) PA11/MoS₂ composites were prepared by hot-pressing and characterized by XRD and SEM. MoS₂ can be uniformly dispersed into nylon 11 matrix.

(3) Dielectric properties and piezoelectric properties of the composites were tested. The effect of molybdenum disulfide filling on the properties of the composites was investigated. It was found that when the amount of molybdenum disulfide is 2wt%, the dielectric breakdown strength can reach 33.2MV/m, the piezoelectric constant can reach 5, which is increased by 66.7%, the dielectric loss can be reduced, and the performance of the composite can be improved well.

Key words: molybdenum disulfide nanosheets, nylon 11, composite materials, dielectric properties, piezoelectric properties

目 录

第1章 绪论......................................................................................................1

1.1 压电材料概述.........................................................................................1

1.1.1 压电材料的发展历史......................................................................2

1.1.2 压电材料的应用..............................................................................3

1.2 尼龙11（PA11）....................................................................................4

1.2.1 尼龙11的性能.................................................................................4

1.2.2 尼龙11的制备.................................................................................5

1.2.3 尼龙11的应用.................................................................................7

1.3 二硫化钼..................................................................................................8

1.3.1 二硫化钼的结构与性能...................................................................8

1.3.2 二硫化钼的制备................................................................................9

1.3.3 二硫化钼的应用................................................................................10

1.4 目的及意义...............................................................................................10

1.5 主要研究内容...........................................................................................11

第2章 实验与测试............................................................................................12

2.1 主要实验试剂...........................................................................................12

2.2 主要试验仪器...........................................................................................12

2.3 实验过程...................................................................................................12

2.3.1 二硫化钼纳米片的制备.....................................................................12

2.3.2尼龙11薄膜纯样的制备....................................................................13

2.3.3尼龙11/二硫化钼复合材料的制备....................................................13

2.4 分析与测试方法........................................................................................13

2.4.1 透射电子显微镜测试（TEM）..........................................................132.4.2 X射线衍射测试（XRD）...................................................................142.4.3 红外光谱分析......................................................................................142.4.4 扫描电子显微镜观察（SEM）..........................................................15

2.4.5 介电性能测试.......................................................................................152.4.6 电击穿强度测试...................................................................................152.4.7 压电应变常数（d33）测试.................................................................15

第3章 结果与分析..............................................................................................16

3.1  透射电子显微镜（TEM）分析................................................................16

3.2  X射线衍射（XRD）分析........................................................................16

3.3  红外光谱分析.............................................................................................18

3.4  扫描电子显微镜（SEM）分析.................................................................18

3.5  介电性能分析.............................................................................................20

3.6  电击穿强度分析.........................................................................................21

3.7 压电应变分析..............................................................................................22

第4章 结论...........................................................................................................24

参考文献.................................................................................................................25

致谢.........................................................................................................................27

第1章 绪论

随着科技的快速发展，解决资源的匮乏和环境恶化的问题开始变得越来越重要^[1]。为此，世界各国学者开始大力开发新材料，从而解决现状，他们将太阳能、风能等可再生能源充分利用起来，这样在有效解决能源储存问题的同时，又缓解了环境恶化，从而达到高效、节能、环保、可持续发展的目的。这样将能量转换成人类所需要的，例如机械储能、化学储能、电磁储能(或蓄电)、风能储存、水能储存等多种形式的能量进行储存的方式，很大程度上缓解了能源危机^[2,3]。

经济的飞速发展致使电子领域快速崛起，对储能材料提出了微型化、高集成、智能化、集成化、质轻便携带等要求，因而上升成为行业界研究的重点^[4,5]。近几年，学术界对储能材料，尤其是电池、电容器已经有深入探索，并发现介电常数（Ɛ）、击穿强度（E）是很重要的影响储能密度的因素^[6,7]。随着智能时代的到来，智能材料实现了快速发展，在时代的潮流中材料实现了能量转换功能，进而智能化也将纳入研究领域的重点。智能材料的迅速崛起标志着人类智慧的发展，更将有利于自动化的全面发展。目前，压电材料作为一种特殊的具有传感、执行、和控制能力的智能材料，能够感应周围的环境变化，实现机械能与电能的相互转化，可广泛应用于传感器、声学设备、换能器、红外探测器等领域^[8,9]。在所有的智能材料中，主导的压电材料被普遍研究，传统的压电材料抗冲击性能差、性脆、密度大、加工成型困难等，使得压电陶瓷的应用有了限制^[10]。聚合物虽然能满足了柔性、易加工方向的需求，但本身压电系数不高制约其应用。于是人们为了克服压电陶瓷与压电聚合物单独存在的缺点，压电材料开始逐渐向压电复合材料发展^[11]。压电复合材料不仅具备陶瓷高压电系数的优点，而且还保留了聚合物密度小、易加工的特点。而当今信息技术快速发展，介电材料、压电材料作为功能材料的重要材料，在科研界备受关注，并逐渐在传感器、探测器、医学、人工智能、航空航天、转换器等领域得到应用。

• 1. 压电材料概述

压电是在如晶体，某些陶瓷，和骨骼，DNA和各种蛋白质等生物物质中积累的电荷，它是对应用机械应力的响应。压电这个词是指由压力引起的电。1880年，法国物理学家雅克和皮埃尔居里发现了3种压电现象。压电效应被定义为在没有反演对称的晶体材料中，机械与电状态之间的线性机电相互作用。压电效应是一个可逆过程，在材料中表现出直接的压电效应，即电荷是由施加的机械力产生，也就是内部产生的；也表现出相反的压电效应，即电荷是由机械应变的内部产生的应用电场。例如，当其静态结构变形约为原始尺寸的0.1%时，锆钛酸铅晶体可以产生可测量的压电。相反地，当一个外部电场作用于材料时，同样的晶体会改变大约0.1%的静态维度。

1.1.1压电材料的发展历史

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