用于介电弹性体发电机的材料研究进展

介电弹性体作为一种新型的电活性材料,具有变形大、质量轻、能量密度高等特点,是实现现代新兴发电机技术的材料之一。本文首先介绍了介电弹性体材料在发电模式下的工作原理,接着梳理了介电弹性体材料的分类、材料优化,从其拉伸结构出发介绍了其应用,最后归纳了当前研究存在的问题并展望了未来的研究方向。     

调控聚氨酯聚集态结构制备高性能介电弹性体

通过退火保温调控聚氨酯(TPU)的相结构、结晶结构和氢键结构,进而调控其模量和介电常数(ε’),提高TPU的电驱动性能.使用扫描电子显微镜(SEM)和小角X射线(SAXS)研究TPU的结晶结构,基于红外光谱对TPU的氢键变化进行半定量分析,使用原子力显微镜(AFM)研究TPU的微相分离结构.结果显示,退火温度和时间不同导致TPU的聚集态结构各异,对模量、ε’和电驱动性能产生了较为复杂的影响.低温(80℃)退火处理后,硬相分布于连续的软段相,且形成了较多软段结晶,相分离程度和氢键破坏程度提高.相比于高温(150℃)退火处理,低温退火后获得较高ε’的同时保持了较低的模量,从而产生较大电致形变.值得注意的是,低温退火条件下产生大范围的软段结晶,使得软段分子链之间排布紧密,导致TPU电击穿强度大幅度提升,得到具有高击穿强度、高电致形变的TPU介电弹性体材料. 80℃退火处理6 h后,TPU的电击穿强度从退火处理前的25 kV/mm提高至32 kV/mm,最大电致形变从0.77%提高至3.3%,提高4.3倍.     

微结构化弹性体介电层的制备方法与应用

微结构化弹性体薄膜是指在表面或内部具有多孔或者特殊造型阵列的微纳米尺寸结构的弹性体薄膜,这类薄膜作为功能化介电层在柔性电子器件的制备领域获得了广泛的应用.本文从微结构弹性体介电层的制备和应用两个方面来介绍微结构弹性体介电层的研究进展,首先介绍了可用以制备介电层的弹性体的种类,然后综述了多孔和非多孔阵列两大类微结构弹性体...     

介电弹性体致动器的结构设计及应用

介电弹性体作为一种新型的电活性高分子聚合物,当受到电场的激励时会产生变形,撤销电场后能够恢复原状,具有将电能直接转换为机械能的特点。通过将其设计成具有不同结构的致动器,能够提高变形能力,并且满足不同的应用需求。本文介绍了介电弹性体致动器的致动机理,阐明了它们是能够以直线方式产生运动的线性致动器,在此基础上可设计出不同结构的致动器,主要归纳了各种介电弹性体致动器,从它们的性能特征、加工技术和潜在应用等方面进行了讨论。     

FeCl3/共轭聚席夫碱复合材料的制备及介电性能

由戊二醛和对苯二胺通过缩合反应合成席夫碱聚合物,并将其与三聚氰胺交联构筑立体网状结构,再与氯化铁配位形成具有"海胆状"结构的FeCl_3/席夫碱复合材料,利用傅里叶红外光谱和扫描电镜对其进行表征。通过对比Fe~(3+)掺杂量分别为0.02、0.03、0.04 mol时复合材料半年前后的电导率、介电常数实部与虚部、介电损耗角正切值和科尔-科尔半圆的改变,发现静置后复合材料介电参数均大幅增长,介电弛豫从无到有,并且在刚合成时其介电常数虚部在3.664×10~6~1.000×10~7 Hz为负值,但经过静置后却转变为正值。其中,静置半年后,Fe~(3+)掺杂量为0.04 mol的席夫碱铁盐聚合物在102 Hz处的介电损耗角正切从0.02升至6.13,电导率从7.15×10~(-7)S·cm~(-1)升至2.19×10~(-5)S·cm~(-1),介电常数实部与虚部也大幅增加,介电损耗机理为二重介电驰豫。     

FeCl3/共轭聚席夫碱复合材料的制备及介电性能

由戊二醛和对苯二胺通过缩合反应合成席夫碱聚合物,并将其与三聚氰胺交联构筑立体网状结构,再与氯化铁配位形成具有"海胆状"结构的FeCl₃/席夫碱复合材料,利用傅里叶红外光谱和扫描电镜对其进行表征。通过对比Fe³⁺掺杂量分别为0.02、0.03、0.04 mol时复合材料半年前后的电导率、介电常数实部与虚部、介电损耗角正切值和科尔-科尔半圆的改变,发现静置后复合材料介电参数均大幅增长,介电弛豫从无到有,并且在刚合成时其介电常数虚部在3.664×10⁶~1.000×10⁷ Hz为负值,但经过静置后却转变为正值。其中,静置半年后,Fe³⁺掺杂量为0.04 mol的席夫碱铁盐聚合物在102 Hz处的介电损耗角正切从0.02升至6.13,电导率从7.15×10^-7 S·cm^-1升至2.19×10-5 S·cm^-1,介电常数实部与虚部也大幅增加,介电损耗机理为二重介电驰豫。     

聚苯乙烯—钛酸钡复合材料介电性能的研究

以聚苯乙烯与化学沉淀法钛酸钡陶瓷为基本组成，采用溶液共混，溶液聚合，表面处理后溶液聚合三种方法进行复合，发现后两种复合的钛酸钡颗粒表面发生界面变化，形成活性界面，使得溶液聚合法和表面处理后溶液聚合所得到的材料具有较低的介电损耗，在高频下能保持较高的介电系数。     

丁腈羟型聚氨酯弹性体的分子结构设计与电机械性能研究

本文对端羟基聚丁二烯丙烯腈液态橡胶(丁腈羟,HTBN)进行端基化改性,合成带不同光活性端官能团的遥爪型丁腈羟(HTBN)预聚物,并最终通过光固化制备了不同分子链结构的丁腈羟型聚氨酯(BNPU)介电弹性体。研究表明,随着前驱体HTBN分子链长度的增加,固化交联后BNPU弹性体的线性链缠结网络密度增加,使得弹性体的模量(Y)和断裂伸长率(E_B)分别最高增加到1.89 MPa与112.26%,同时使弹性体的玻璃化转变温度(T_g)降低。根据活性封端基团的不同,采用季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)封端的HTBN预聚物,光固化后的BNPU弹性体内部形成较大体积位阻的局部交联区域,可使BNPU弹性体的T_g升高,热分解速率降低,同时相分离导致的界面极化增强,从而进一步提升弹性体介电性能：使BNPU弹性体样品在10³ Hz频率下介电常数(ε′)最高达到807,介电损耗保持在1以下。最终局部大位阻交联结构和一定量的氰基结构可协同赋予BNPU弹性体优异的综合电机械性能,克服了纯聚氨酯和高交联度丁腈橡胶模量大、易击穿的问题。     

PANI—PBOPy复合材料的制备及介电性能

采用甲基磺酸（MSA）掺杂聚苯胺（PANI）,并以MSA为溶剂,将其与聚（2,6-亚吡啶基）苯并二嗯唑（PBOPy）采用溶液共混法制备了不同PANI质量分数的PANIPBOPy复合材料。采用红外光谱、wXRD、Uv—Vis、TGA以及SEM对复合材料的结构和性能进行了表征。研究了PANI的质量分数、温度、频率等因素对PANIPBOPy复合材料导电性能和介电性能的影响。研究表明：当PANI的质量分数达到20％时,复合材料的电导率增大了10个数量级;复合材料的介电常数和介电损耗则随着PANI质量分数的增加呈现先增大后减小的趋势,随着频率的升高先迅速降低而后趋于稳定,并且随温度升高而增大,40℃时PANI质量分数为15％的复合材料的介电常数约为230。     

巨介电CCTO及CCTO/聚合物研究

具有类钙钛矿结构的钛酸铜钙CaCu3Ti4O12(CCTO)介电陶瓷材料以其巨介电特性、介电常数的温度和频率稳定性及非线性等特性在材料研究领域和实际应用中受到广泛关注。本文比较了CCTO各种巨介电理论和模型,详述了目前能够较合理地解释CCTO巨介电特性的内部阻挡层电容模型(IBLC)。综述了制备方法、制备条件及改性方法对CCTO介电性能的影响。离子掺杂是降低CCTO介电损耗常用的方法之一,掺杂效果受掺杂离子半径、离子价态等多种因素的影响。将陶瓷粉体与聚合物进行复合形成0-3型复合材料是目前制备综合性能良好的介电材料的有效方法,对CCTO/聚合物复合材料的研究进展进行了评述。最后,展望了CCTO陶瓷材料的发展前景。     

聚(金属酞菁)酰亚胺/碳纳米管复合材料的制备及介电性能

以四氨基铜(锌)酞菁为四胺单体, 与4,4'-二苯醚二胺(4,4'-ODA)和二苯醚四酸酐(ODPA)进行共聚, 合成了聚(金属酞菁)酰亚胺. 由于金属酞菁的引入, 聚(铜酞菁)酰亚胺和聚(锌酞菁)酰亚胺的介电常数均高于传统聚酰亚胺(PI). 以聚(铜酞菁)酰亚胺为基体, 采用溶液共混的方法, 制备了一系列碳纳米管/聚(铜酞菁)酰亚胺复合材料, 碳纳米管较为均匀地分散在聚合物基体中. 复合材料具有良好的介电性能, 掺杂碳纳米管质量分数为20%的复合材料的介电常数达到200, 介电损耗为2.25.     

Cu2+离子A位取代对MgTiO3陶瓷结构及介电性能的影响

采用固相反应制备了Mg_1-xCu_x TiO₃(0.00≤x≤0.20)微波介电陶瓷,研究CuO烧结助剂对MgTiO₃陶瓷的微观结构和微波介电性能的影响。实验结果表明,CuO中的Cu²⁺离子会进入到MgTiO₃晶格中并取代Mg²⁺,形成Mg_1-xCu_x TiO₃固溶体。由于液相效应,适量的CuO可以促进MgTiO₃陶瓷的致密化烧结,降低其烧结温度。Cu²⁺离子的A位取代会改变样品的TiO₆八面体扭曲度。随着Cu²⁺离子含量的增加,会使MgTiO₃陶瓷的结构稳定性降低。随着CuO含量的增加,晶粒的不均匀生长和液相的出现导致样品的品质因数(Qf)下降。同时,Mg_1-xCu_x TiO₃陶瓷的相对密度、结构...     

粉煤灰/硅橡胶复合材料的性能研究

以粉煤灰为填料,采用Si-69、钛酸酯和硬脂酸三种偶联剂对其进行表面处理,采用红外光谱仪和扫描电镜分析了改性前后粉煤灰的表面结构和形貌,而后将粉煤灰添加到硅橡胶中,比较粉煤灰改性前后复合材料的力学性能和阻燃性能。实验结果表明:红外光谱证实三种偶联剂改变了粉煤灰的表面结构,SEM观察到改性后粉煤灰的比表面积得到了提高;改性粉煤灰/硅橡胶复合材料的力学性能和阻燃性能比未改性的粉煤灰/硅橡胶复合材料得到了较大的提高。当添加量为1%的硬脂酸改性粉煤灰/硅橡胶复合材料的力学性能和阻燃性能最佳。     

偶联剂对玻璃纤维/环氧树脂基复合材料介电性能的影响

偶联剂对玻璃纤维／环氧树脂基复合材料介电性能的影响陈平刘胜平张明艳（哈尔滨理工大学电工材料系哈尔滨１５００４０）关键词环氧树脂基复合材料，介电性能，偶联剂，浸润性玻璃纤维／环氧树脂基复合材料（ＧＦＲＰ）具有优异的电气和力学性能．然而孔隙的存在强烈地...     

高热稳定性硅橡胶的研究

阐述了在硅橡胶主链中引入硅氮结构,在硅橡胶中添加硅氮化合物或采用硅氮交联剂对改进硅橡胶热稳定性的影响,提出了利用Ｓｉ－Ｎ键的反应去消除引起硅橡胶主链降解的硅羟基和水平达到提高其热稳定性的作用机理。采用阴离子活性聚合的方法合成了具有低玻璃化温度的耐高温的聚硅氧烷弹性体。     

纤维素基介电材料

作为电荷的高效存储设备,介电电容器受到学术界和产业界越来越多的关注,其中介电材料是介电电容器的核心。长久以来,双向拉伸聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯等石油基聚合物作为介电材料广泛应用于商用电容器设备。然而,随着服役环境的变化(如工作温度升高等),聚合物材料的介电常数与充放电效率下降,同时介电损耗与电流漏导增加,导致储能密度大幅降低,亟待开发具有高储能密度的新型可持续聚合物介电材料。纤维素是地球上储量最丰富的天然聚合物,具有可持续、价格低廉、可生物降解等特点,是理想的候选生物基材料。近年来,通过将纤维素纳米纤维、氰乙基纤维素、再生纤维素及醋酸纤维素分别与不同填料进行复合,显著提高了介电常数、击穿场强与充放电效率,获得了一系列具有高储能密度的生物基介电材料。本文总结了上述纤维素基介电材料的研究进展,并对该领域面临的挑战与发展前景进行了探讨与展望。     

Ba0.6Sr0.4TiO3/聚偏氟乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯复合材料的制备及其介电性能

采用流延热压工艺制备Ba_0.6Sr_0.4TiO₃(BST)/聚偏氟乙烯(PVDF)?聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)复合薄膜,研究了PMMA含量对复合材料微观组织结构和介电性能的影响规律。结果表明,BST相能够均匀分散在聚合物基体中,归因于PMMA与PVDF良好的相容性,2种聚合物之间的界面不分明;随着PMMA含量的增加,复合材料的介电常数先降低后升高,耐击穿强度和介电可调性先增加后减少。PMMA含量(体积分数)为15%的BST/PVDF?PMMA₁₅复合材料的综合性能最佳:介电常数为23.2,介电损耗为0.07,耐击穿强度为1412 kV·cm^-1,在550 kV·cm^-1偏压场下,介电可调性为26.2%。     

碳纳米管-聚乙烯复合材料的介电性能

采用熔融共混及模压的方法制备了碳纳米管(CNT)-高密度聚乙烯(HDPE)复合材料,并用介电谱仪研究了逾渗值附近的导电填料对复合材料体系在不同温度、频率条件下的介电常数、介电损耗、交流电阻率的变化规律。结果表明:复合材料的介电常数、介电损耗均随CNT质量分数增加而逐渐增大;在频率为103~106 Hz,温度为40~130℃时,HDPE基体的介电常数随频率和温度的变化较小,而添加CNT填料的复合材料的介电常数随频率和温度的增加而略微降低。当w(CNT)0.5%时,复合材料的交流电阻率表现出对频率的强烈依赖性;而当w(CNT)0.5%时,在低频处表现出直流特性,在高频处显示出交流电阻率的降低。     

介电层上石墨烯的制备

石墨烯因其优异而独特的性能,自发现以来便受到了广泛的关注.为了实现石墨烯的进一步应用,可控制备大面积、高质量的石墨烯便成为研究人员需要首先攻克的难题.利用传统方法在金属基底上催化生长的石墨烯,需要先转移到介电层上才能进行后续的器件构筑.与之相比,介电层表面上直接生长石墨烯后,就可直接利用目前的硅加工工艺制备器件,从而避免因转移而引起的污染、破损,进而有望得到高质量、无污染的石墨烯样品.介绍了近年来介电层上直接生长石墨烯的研究进展,其中包括在各种传统介电层材料和新型六方氮化硼薄膜上制备石墨烯的各种方法.总结展望了介电层表面石墨烯制备的主要挑战及发展方向.     

几种固体氧化物/水蒸气体系的介电性质的研究

测定了p/p_0为0～0.75、频率为400 Hz～5 MHz范围内MgO、CaO、Ca(OH)_2及TiO_2/水蒸气体系的介电等温线与介电吸收曲线. 用M-W-S界面极化理论讨论了在一定条件下吸附(水)量与体系介电常数ε’的关系。观察到所研究的几种固体氧化物/水蒸气体系在介电性质方面的差异,并初步探讨了产生这些差异的原因。从而从不同角度为我们了解吸附剂的表面状态及其与水分子的相互作用提供了有益的信息。