基于MMA共聚物的储能高分子膜结构设计与性能研究.pdf

摘要

摘要

随着电子产业和电子信息技术的高速发展，传统电容器材料面临着巨大的挑战。

聚合物材料由于其高击穿强度、高充放电效率和低介电损耗成为静电电容器的潜在-

PVDF

备选材料。铁电聚合物如聚偏氟乙烯（）及其共聚物介电常数高，然而它们的

剩余极化较高，能量损耗大，限制了进一步应用。通过添加线性电介质材料如聚甲基

PMMAPVDF

丙烯酸甲酯（）来设计全有机共混薄膜和有机多层结构可以提高基储能

薄膜的性能。然而上述共混策略对能量密度还有很大空间需要进一步提高，多层电介

质薄膜界面之间的裂纹和空隙对薄膜的稳定性和击穿强度有着不利影响，难以实现大

规模生产和工业应用。因此，制备出同时具有高击穿强度和能量密度，同时保持低的

介电损耗和低剩余极化的全有机电介质薄膜具有重大意义。

本论文中所研究的基体材料为线性甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸环氧丙酯共聚物

MMA-co-GMAMGGMA8wt%PMMA

（，简称），其中的含量为。它具有比更高

的介电常数、击穿强度和能量密度。通过选择和MG具有优异相容性的高介电常数的

PVDF作为有机填料来制备全有机复合材料，进一步提高其储能性能。主要内容如下：

1PVDF

（）通过溶液共混法制备了调控的同时具有高击穿强度和能量密度的

MG/PVDFPMMAMG

全有机电介质薄膜。与均聚物相比，共聚物具有更高的能量密

3

度（5.6J/cm），原因在于GMA上的环氧基团具有更高的极性并且可以作为深陷阱

捕获载流子来提高击穿强度。通过优化PVDF在体系中的百分比进一步提高了MG

复合膜的介电常数，击穿强度和储能性能。同时，PVDF的引入克服了MG的脆性。

通过密度泛函理论（DFT）证明了PVDF与MG之间形成的氢键可以作为载流子的深

MGPVDF30wt%MG/PVDF600

陷阱进一步提高的击穿强度。当含量为时，薄膜在

MV/m10.8J/cm3-78.7%PVDF4.3J/cm3

时的放电能量密度为，充放电效率为，是纯（

3

在320MV/m）的2.5倍，纯MG（5.6J/cm在460MV/m）的1.9倍。储能性能的提

高主要是由于线性MG共聚物与PVDF之间具有良好的热力学相容性和氢键相互作

用。

（2）在MG/PVDF复合膜研究基础之上，通过加入聚醚胺（PEA）作为交联剂

使MG上的环氧基团与胺基进行开环反应，同时将PVDF的分子链束缚在MG的交

联网络中，达到进一步提高击穿强度、降低介电损耗和提高能量密度的目的。通过热

刺激去极化电流（TSDC）和密度泛函理论（DFT）证明了交联点可以作为载流子的

深陷阱，导致击穿强度进一步的提高。同时，通过使用PVDF和带有可自由旋转的醚

键的聚醚胺作为交联剂，使MG的脆性得到了改善。PVDF的存在可以适当弥补了交

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