无铅AgNbO_3@KH5.铁电复合材料的储能性能研究_王卓.pdf

首先采用共沉淀法成功制备出了A g N b O3粉体,并用硅烷偶联剂KH 5 6 0对粉体进行表面改性,然后采用流延法制备了不同A g N b O3KH 5 6 0添加量的A g N b O3KH 5 6 0/PM-MA复合材料,并研究其电导率、介电性能和储能性能,确定了性能最佳的A g N b O3粉体的添加量.结果表明,当A g N b O3粉体的添加量为3w t%时,在1 0 0H z下复合材料的介电常数约为7.0 1;当A g N b O3粉体的添加量为0.3w t%时,复合材料在3 6 0k V/mm电场下,其储能密度为1 0.0 3J/c m3,储能效率达到9 6.3 6%.关键词:反铁电体;介电;储能密度中图分类号:T B 3 3 2 文献标志码:AS t u d yo ne n e r g ys t o r a g ep r o p e r t i e so f l e a d-f r e eA g N b O3K H 5 6 0/PMMAa n t i f e r r o e l e c t r i cc o m p o s i t e sWANGZ h u o,WUD a n(S c h o o l o fM a t e r i a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,S h a a n x iU n i v e r s i t yo fS c i e n c e&T e c h n o l o g y,X i a n7 1 0 0 2 1,C h i n a)A b s t r a c t:F i r s t l y,A g N b O3p o w d e rw a ss u c c e s s f u l l yp r e p a r e db yc o-p r e c i p i t a t i o nm e t h o d,a n dt h es u r f a c eo ft h ep o w d e rw a sm o d i f i e db ys i l a n ec o u p l i n ga g e n tKH 5 6 0.T h e n,A g N b O3KH 5 6 0/PMMAc o m p o s i t e sw i t hd i f f e r e n ta m o u n to fA g N b O3KH 5 6 0w e r ep r e p a r e db yd u c t i n gm e t h o d,a n dt h e i re l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y,d i e l e c t r i cp r o p e r t i e sa n de n e r g ys t o r a g ep r o p e r t i e sw e r es t u d i e d.T h ea d d i t i o na m o u n to fA g N b O3p o w d e rw i t ht h eb e s tp e r f o r m a n c ew a sd e t e r m i n e d.T h er e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h ea d d i t i v ea m o u n to fA g N b O3p o w d e ri s3w t%,t h ed i e l e c t r i cc o n s t a n to f t h ec o m p o s i t e i sa b o u t7.0 1a t1 0 0H z,a n dw h e nt h ea d d i-t i v ea m o u n to fA g N b O3p o w d e r i s0.3w t%,t h ee n e r g ys t o r a g ed e n s i t yo f t h ec o m p o s i t e i s1 0.0 3J/c m3u n d e r3 6 0k V/mme l e c t r i c f i e l d.E n e r g ys t o r a g ee f f i c i e n c yr e a c h e d9 6.3 6%.K e yw o r d s:a n t i f e r r o e l e c t r i c;d i e l e c t r i c;e n e r g ys t o r a g ed e n s i t y*收稿日期:2 0 2 2-1 1-3 0基金项目:国家 自 然 科 学 基 金 项 目(5 1 5 7 2 1 6 0);中 国 博 士 后 科 学 基 金 项 目(2 0 1 6 T 9 0 8 1);陕 西 省 科 技 厅 自 然 科 学 基 金 项 目(2 0 1 7 K J X X 4 4);陕西科技大学研究生创新基金项目作者简介:王 卓(1 9 8 3),女,陕西岐山人,教授,博士,研究方向:柔性高储能复合材料DOI:10.19481/ki.issn2096-398x.2023.03.019陕西科技大学学报第4 1卷0 引言随着世界人口的不断增长及全球经济的快速发展,近年来能量消耗问题日益严重,为了解决能源消耗过快及能源不足的问题,世界各国纷纷开始向新能源汽车、光伏发电、风力发电等新能源领域进行了探索1-4.对此,具有高储能性能的器件在大量被需要的电子产品中的需求是不断增加的.目前消费电子产品逐渐向智能化、集成化、微型化、低成本、高性能和高可靠性等方面发展,因此需要电子产品中元器件在高度集成下保持高性能5-7.而介电电容器因为具有高储能密度、高可靠性、易于小型化及集成化、能量释放速度快等优点,在各种电力电子系统中扮演着越来越重要的角色.因此研究高储能性能的介电储能材料是研发和制备介电电容器的重要部分.目前,介电储能材料主要分为无机陶瓷材料、聚合物材料和聚合物基复合材料8-1 3.无机陶瓷材料具有高的介电常数的优点,但其击穿场强较低且需要在高温下烧结使其难以满足应用要求.聚合物材料击穿场强高、介电损耗低、机械性能良好、具有良好的柔韧性和机械加工性,但通常情况下其介电常数较小(1 0)1 4-1 6.因此,很多研究以聚合物为基体、陶瓷作为填料将陶瓷填料和聚合物基体复合,结合二者的优点从而达到更好的储能效果已经成为目前研究的热点.目前,聚合物基复合材料从形状上被分为块状复合材料和薄膜复合材料.块状复合材料因其毫米级的厚度使其内部具有更多的缺陷从而导致其击穿场强较低,进而很难获得高的储能性能;而薄膜复合材料的厚度较薄,在微米级别,就会使材料内部的缺陷明显减少,从而具有更优异的储能性能1 7,1 8,也会更好的满足小型化集成化的工业要求,因此具有更广泛的应用领域.具有优良的介电、压电、储能等特性的锆钛酸铅(P Z T)基陶瓷材料占有重要地位,但是该体系材料中含有大量有毒的铅元素,在生产、使用及废弃处理过程中均会给人类健康和生态环境带来严重的危害.在已知的无铅功能陶瓷材料中,铌酸银(A g N b O3)基陶瓷是近年来备受瞩目的新型无铅介电材料,其在压电和反铁电储能领域都有一定的研究 和 应 用 前 景.A g N b O3室 温 时 是 钙 钛 矿(A B O3)结构,它可以看成是由氧八面体在相互垂直的三个面上以顶角相互连接的形式形成的结构,A g+占据十二配位的A位位置,N b5+占据六配位的B位位置,其具有反铁电的双电滞回线和高的极化强度(5 0C/c m2)成为反铁电材料的最佳候选者之一1 9.常见的有机高分子材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)是一种无毒且环保的聚合物材料,具有良好的机械性能,可以抗腐蚀具有良好的力学性能、绝缘性和耐化学性,且耐击穿性能好,但其介电常数过低2 0.可见单一的介电材料无法达到当前储能器件对于储能密度的要求,因此将聚合物与陶瓷填料复合,利用聚合物的高击穿场强和陶瓷填料较大的极化强度,来提高聚合物基陶瓷复合材料的储能性能.本实验 通 过 在PMMA聚 合 物 基 体 中 引 入A g N b O3陶瓷填料,采用流延法制备不同填料添加量的A g N b O3/PMMA复合材料.通过对复合材料的介电和铁电测试,阐述了A g N b O3粉体和粉体的添加量对复合材料储能性能性能的影响.1 实验部分1.1 主要原料硝酸银(A g NO3,纯度9 9.9%),五氧化二铌(N b2O5,纯度9 9.9%),草酸(C2H2O42 H2O,纯度9 9.5%),氨 水(NH3H2O,纯 度9 9.5%),乙二醇(C2H6O2,纯度9 9.5%),乙醇(C2H5OH,纯度9 9.5%),双氧水(H2O2,纯度9 9.5%),聚 甲 基 丙 烯 酸 甲 酯(P MMA,M.W.3 50 0 0),N,N-二甲基甲酰胺(DM F,纯度 9 9.5%),硅烷偶联剂KH 5 6 0(纯度9 8%),均购自国药化学试剂有限公司.1.2 A g N b O3粉体的制备以硝酸银(A g NO3)和五氧化二铌(N b2O5)为银源和铌源,采用共沉淀法制备铌酸银粉体.首先按N b2O5A g NO3=11的摩尔比称取N b2O5和A g NO3分别溶于草酸溶液,用磁力搅拌器搅拌1 2h,将A g NO3的草酸溶液滴加到N b2O5的草酸溶液中,得到混合溶液A,用磁力搅拌器搅拌24h.之后将所得混合溶液A的p H值调节至23,得到混合溶液B;在混合溶液B中加入乙二醇后进行搅拌,之后分离所得的沉淀物,将沉淀物干燥,得到前驱体;将前驱体在8 0 0 9 0 0 下进行煅烧,得到A g N b O3粉体.1.3 硅烷偶联剂KH 5 6 0改性A g N b O3粉体为了改善A g N b O3填料与PMMA基体之间的相容性,并增加填料在复合材料中的均匀分散性,本研究使用了硅烷偶联剂KH 5 6 0.将适量A g-421第3期王 卓等:无铅A g N b O3KH 5 6 0/PMMA反铁电复合材料的储能性能研究N b O3粉体在双氧水中超声分散,并搅拌4h后烘干得到羟基化处理的A g N b O3粉体(A g N b O3-OH).称 取 质 量 分 数 为1 w t%的 硅 烷 偶 联 剂KH 5 6 0与A g N b O3-OH混合,加入蒸馏水和乙醇,在磁力搅拌器上搅拌1 2h后烘干,所得的粉体即为硅烷偶联剂KH 5 6 0改性的A g N b O3粉体.1.4 A g N b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料的制备将1g的PMMA分散于4m l的DMF溶液中并搅拌4h.同时在1m l的DMF溶液中分别加入0w t%、0.1w t%、0.3w t%、0.5w t%、1w t%、3w t%的A g N b O3粉体,并用超声波细胞破碎仪超声3 0m i n.然后将A g N b O3溶液加入P MMA溶液中,在室温下,通过超声和磁力搅拌交替进行45次,得到混合溶液.将混合溶液通过流延机流延到干净的玻璃板上,将所有的样品在1 0 0下热处理1 2h,然后在2 0 0下保温7m i n后立即放入冰水中,烘干后得到A g N b O3KH 5 6 0/P MMA复合材料.1.5 样品表征采用X射线衍射仪(X R D,D/m a x-2 2 0 0 P C,日本日立;C u靶K,=0.1 5 40 6n m)对A g N b O3粉体的物相进行分析.使用扫描电子显微镜(S EM,S-4 8 0 0,日立公司)对复合材料的断面形貌进行观察.使 用 傅 里 叶 变 换 红 外 光 谱 仪(F T-I R,V e r-t e x 7 0,德国布鲁克)对经表面处理前后粉体与偶联剂的作用情况和表面元素的变化.复合材料的介电性能 采 用 精 密 阻 抗 分 析 仪(E 4 9 8 0 A,A g i l e n t,U S A)进行测试分析,铁电性能采用铁电测试仪(P r e m i e r,R a d i a n t,U S A)测试.2 结果与讨论2.1 A g N b O3的物相分析与微观形貌共沉淀法制备的A g N b O3粉体的X R D图谱如图1所示.通过共沉淀法制备的A g N b O3粉体具有尖锐的X R D峰,其所有的标准峰都可以观察到.从 图1中 可 以 看 出,纯A g N b O3在3 2.4、3 9.8、4 6.3、5 7.5、6 7.4 有明显的衍射峰,分别对应于(1 1 4)、(0 2 4)、(2 2 0)、(3 1 4)、(2 2 8)这几个晶面.通过与标准卡片P D F#2 2-0 4 7 1进行对比呈现一致,说明成功的制备出了纯的A g N b O3粉体,没有第二相的生成,粉体结晶性良好.图2为A g N b O3粉体的扫描图片.通过扫描图可以看出,A g N b O3粉体呈现出不规则的颗粒,颗粒表面比较光滑,其粉体尺寸在3 0 0n m左右,具有良好的分散性.图1 A g N b O3粉体的X R D图图2 A g N b O3粉体的S EM图2.2 A g N b O3的红外光谱分析在制备A g N b O3/PMMA复合材料时,由 于A g N b O3粉体与PMMA基体的相容性较差,A g-N b O3粉体在PMMA中分散不均匀且易出现大面积的团聚.通过硅烷偶联剂对A g N b O3粉体进行表面改性,可以有效缓解这一问题.硅烷偶联剂有着这一作用主要是因为其是一类在分子中同时含有两种不同化学性质基团的有机硅化合物,在表面改性处理中是一种重要的改性剂,可用通式Y S i X3表示,Y为非水解基团,X为可水解基团的烷氧基,烷氧基水解可形成极性较强的硅醇(-S i-OH),硅醇能与无机填料表面的羟基在适当的条件下发生反应;硅醇的另一端Y为有机基团,能够与PM-MA发生物理或化学作用,从而使得无机填料可以更好的分散到PMMA基体中,改善复合材料的性能.本实验采用硅烷偶联剂KH 5 6 0对A g N b O3粉体进行表面改性处理,硅烷偶联剂KH 5 6 0的水解如图3所示,硅烷偶联剂KH 5 6 0水解后产生硅醇(-S i-OH),水解后产生硅醇进一步缩合水解,缩合水解图如图4所示,进一步缩合水解形成硅氧键(-S i-O-S i),硅烷偶联剂KH 5 6 0与A g N b O3粉体的反应式如图5所示.图3 硅烷偶联剂KH 5 6 0的水解示意图521陕西科技大学学报第4 1卷图4 缩合水解反应式图5 硅烷偶联剂KH 5 6 0与A g N b O3陶瓷粉体的反应式图6为硅烷偶联剂KH 5 6 0改性的前后的A g-N b O3粉体红外光谱图.从图6可以看出,对于经过KH 5 6 0处理的A g N b O3粉体,在9 1 0c m-1处出现的峰为环氧基(-CH(O)CH-)的伸缩振动特征峰,在10 3 2c m-1、12 0 0c m-1和12 5 6c m-1处出现的峰为C-O-C键的伸缩振动特征峰,在2 9 2 8 c m-1和28 6 0c m-1处出现的微弱的峰为C-H的伸缩振动特征峰,并且在11 0 5c m-1处出现S i-O基团的振动特征峰,这说明A g N b O3粉体表面的羟基具有一定的反应活性,它在适当的条件下可以与硅烷偶联剂KH 5 6 0的水解物硅醇发生反应,将偶联剂亲水性的一端与A g N b O3粉体的表面相连接,从而完成对A g N b O3粉体的表面改性处理.图6 硅烷偶联剂KH 5 6 0改性的前后的A g N b O3粉体红外光谱图2.3 A g N b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料物相和微观结构分析 图7为A g N b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料的X R D图,A g N b O3KH 5 6 0粉体的添加量分别为0w t%、0.1w t%、0.3w t%、0.5w t%、1w t%、3w t%.从图7可以看出,随着A g N b O3KH 5 6 0粉体质量分数的增加,A g N b O3KH 5 6 0的X R D峰也变得越尖锐,致使其X R D图谱逐渐趋向A g N-b O3KH 5 6 0粉体的图谱,但是同时也可以看出P MMA的X R D峰值总是高于A g N b O3KH 5 6 0陶瓷粉体的X R D峰值,这是因为P MMA在整个复合材料中的质量占比较大.从图谱中可以看出复合材料中既有P MMA相,同时存在A g N b O3相,并且没有产生其他杂相,因此说明成功地制备出A g N b O3KH 5 6 0/P MMA复合材料.图7 A g N b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料的X R D图谱图8、图9分别为A g N b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料自然表面、断面的S EM图.从图中可以看出,不同含量的A g N b O3KH 5 6 0填料均成功的填充入PMMA基体中.当填料含量低时A g N-b O3KH 5 6 0粉体均匀分散于PMMA聚合物中,A g N b O3KH 5 6 0粉体添加量为0.3w t%时,复合材料光滑致密,没有任何空隙和界面缺陷,A g N-b O3KH 5 6 0粉体与PMMA聚合物基体之间有着良 好 的 界 面 结 合 和 相 容 性.随 着A g N b O3KH 5 6 0粉体质量分数的进一步增加,尤其是大于1w t%质量分数时,由图8(e)、(f)可以看出A g N-b O3KH 5 6 0粉体开始出现聚集现象,这是由于在较高浓度的A g N b O3KH 5 6 0下,表面能效应更显著,导致它们聚集,抵消了硅烷偶联剂KH 5 6 0的 表 面 改 性 效 应.这 也 就 导 致 了A g N b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料中的孔洞和界面缺陷的出现.同样从图9(e)、(f)也可以看出,填料A g N-b O3KH 5 6 0在PMMA聚合物基体中产生团聚,导致外加电场的不均匀分布,从而降低复合材料的击穿场强.2.4 A g N b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料介电性能分析 图1 0(a)是填料添加量分别为0w t%、0.1w t%、0.3w t%、0.5w t%、1w t%、3w t%A g N b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料的介电常数随频率的变621第3期王 卓等:无铅A g N b O3KH 5 6 0/PMMA反铁电复合材料的储能性能研究图8 A g N b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料自然表面的S EM图图9 A g N b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料的断面S EM图化曲 线.从 图1 0可 以 看 出,所 有 的A g N b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料的介电常数的大小随频率变化的趋势是一致的,都是随频率的增大先缓慢降低后迅速下降,这是因为不同极化方式的响应频率范围不同.当频率为1 0 0H z时纯PMMA薄膜材料的介电常数为4.5 0,随着A g N b O3粉体的含量增加复合材料的介电常数逐渐增加,当填料含量为3w t%时,复合材料的介电常数达到7.0 1,为纯PMMA的1.5 6倍.当频率较小(1 04H z)时,存在所有极化机制,而随着频率的不断增大,界面极化由于跟不上频率的变化导致偶极矩无法反转,从而使其会退出极化机制,因此A g N b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料的介电常数会出现缓慢下降的现象.当频率超过1 04H z时,由于材料内部存在一定阻力,使得偶极子反转跟不上电场的速度,从而形成一种弛豫即介电弛豫,这种介电弛豫使得A g N b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料的介电常数迅速下降.此外,A g-N b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料的介电常数随质量分数占比的增大而增大.从图1 0(a)中可以看出,仅仅引入少量的A g N b O3KH 5 6 0粉体,就会使复合材料的介电常数大幅增大,这主要包括两个原因:一是,因为A g N b O3KH 5 6 0粉体本身具有较大的介电常数,因此随着A g N b O3KH 5 6 0填料粉体的质量分数占比的增加,复合材料的介电常数必然是增加的;二是,因为A g N b O3KH 5 6 0陶瓷粉体与PMMA聚合物基体之间的介电常数本身具有较大差异,导致二者的界面处会产生极化,即M a x w e l l-W a g n e r效应.当给A g N b O3KH 5 6 0/P MMA复合材料施加一个电场时,自由移动的电荷会在P MMA聚合物基体和A g N b O3KH 5 6 0填料粉体两者之间的界面处大量聚集,从而导致A g N-b O3KH 5 6 0/P MMA复合材料的介电常数增加.图1 0 A g N b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料的介电性能随频率的变化图721陕西科技大学学报第4 1卷图1 0(b)是A g N b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料的介电损耗图.可以看出,随着A g N b O3添加量的增加,复合材料的介电损耗先降低后增加,当A g N b O3KH 5 6 0添加量为3w t%时,复合材料的损耗最大,高浓度的A g N b O3会在PMMA基体中发生团聚,给复合材料带来损耗.另外,A g N b O3KH 5 6 0/PMMA的高界面极化导致了较大的界面泄漏电导,从而使损耗增加.在1k H z时,所有样品的介电损耗在0.0 9以下,这主要是PMMA聚合物基体本身就具有很低的介电损耗,且A g N-b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料中填料A g N b O3KH 5 6 0的添加量较少.此外,介电损耗在低频时出现的毛刺的原因可能是测试仪器在低频下不可避免的会出现抖动,而且样品本身的介电损耗很低,在测试其介电性能时,就会在低频时出现剧烈的抖动形成毛刺.2.5 A g N b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料电导性能分析 图1 1是A g N b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料在室温下的交流电导率随频率的变化曲线.图1 1 A g N b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料的交流电导率随频率变化曲线由图1 1可以观察到,随着A g N b O3KH 5 6 0粉体的引入,复合材料的交流电导率呈现先减小后增加的趋势,当引入的填料的含量小于1w t%时,复合材料的电导率低于纯PMMA.当A g N b O3KH 5 6 0粉体的含量进一步增加到1w t%时,复合材料的交流电导率会略高于纯的PMMA.在低频时,由于复合材料中的电子被束缚在一起,使其交流电导率是较低的.随着频率的不断增加,纯PM-MA和A g N b O3KH 5 6 0/PMMA薄膜复合材料的交流电导率结果呈现近似线性增加的趋势,这是因为随着频率的增加,电子获得了足够的跃迁能,并在电场作用下成为载流子,从而具有较高的交流电导率.结果表明,当A g N b O3KH 5 6 0粉体的质量分数为0.3w t%时A g N b O3KH 5 6 0/PMMA薄膜复合材料具有良好的电性能和绝缘性能.2.6 A g N b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料铁电性能分析 高击穿强度和介电常数是制备高储能密度材料的 基 本 要 求,测 量 了PMMA及A g N b O3KH 5 6 0/PMMA薄膜复 合 材 料 的 不 同 添 加 量 的A g N b O3KH 5 6 0粉体的韦布尔图.采用W e i b u l l统计分析纯的PMMA和不同质量分数的A g N-b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料的特征击穿强度,韦布尔分布是衡量样品击穿强度可靠性的重要判据.A g N b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料的线性拟合及韦布尔分量参数如图1 2所示.线的斜率称为形状参数(),用于评估Eb值的分散性和可靠性.值越大,可靠性越高,分散性越小.从图中可以看出,所有样品的值均在1 42 5之间,分布较窄,说明所有样品制作精良,质量稳定.其中A g N b O3KH 5 6 0陶瓷填料粉体的质量分数为0.3w t%时,值可达到2 4,说明质量分数为0.3w t%的A g N b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料的性能最好.图1 2 A g N b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料的韦布尔分布图图1 3(a)是A g N b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料在室温下的电滞回线.从图中可以看出,A g N-b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料的最大极化强度与其击穿场强表现出同样的变化趋势,随粉体添加量的增大表现出先增大后减小的变化趋势.从图1 3可以看出当A g N b O3KH 5 6 0陶瓷粉体的含量为0.3w t%时,其击穿场强为所有组分中最高的,达到3 6 0k V/m m,极化强度达到了5.7 6C/c m2.而随着粉体含量的进一步增大,复合材料内部的缺821第3期王 卓等:无铅A g N b O3KH 5 6 0/PMMA反铁电复合材料的储能性能研究陷也随之增多,导致电荷聚集而使击穿场强降低.图1 3 A g N b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料的铁电性能图在PMMA基体中引入A g N b O3粉体后,所有复合材料Pr都有所减小,A g N b O3是具有大的饱和极化(Pm a x)和小剩余极化(Pr)的双电滞回线的反铁电材料的典型特征,A g N b O3在高电场下的高饱和极化可以在复合材料中诱导高的Pm a x值,从而提高复合材料的储能密度.大的去极化场可以降低磁滞损耗并有助于反铁电-铁电相变的可逆性,这最终可能会降低A g N b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料的Pr并增加Pm a x.图1 3(c)为不同质量分数A g N b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料的击穿场强变化图.从图1 3中可以看出,A g N b O3KH 5 6 0/PMMA薄膜复合材料的临界击穿场强随陶瓷填料粉体质量分数的增加呈现出先升高后降低的趋势.这种现象的出现主要有三个原因:一是,因为A g N b O3KH 5 6 0本身具有优异的电绝缘性能和较高的理论击穿强度会阻碍导电,进而增强薄膜复合材料的击穿;二是,因为在外加电场的情况下,当向PMMA聚合物基体中加入少量的A g N b O3KH 5 6 0粉体加入后,A g N-b O3KH 5 6 0会阻挡PMMA基体内部自由电荷的移动,从而减少电荷聚集,增大其击穿场强;三是,由于A g N b O3KH 5 6 0粉体与PMMA基体之间具有物理化学性质的差异,在结合处会形成载流子界面区域,致使电荷在外加电场的作用下进入这个区域后不能移动,从而限制导电通路的形成,使得击穿场强增强.但随着A g N b O3K H 5 6 0陶瓷粉体的含量大于0.3w t%时,复合膜的击穿场强降低.出现降低的原因:一是,由于电荷容易在缺陷处聚集,而随着陶瓷填料的不断增加导致材料内部缺陷的增多,进而使其击穿场强下降;二是,在较高的填料载荷下,因为陶瓷填料与聚合物基体的机械混合作用有限,A g N b O3K H 5 6 0会不可避免地在P MMA中积聚,导致在额外空隙附近陶瓷填料出现团聚,进而导致陶瓷填料与聚合物基体的界面增多,因此随着陶瓷填料含量的进一步增加,会出现击穿场强降低的现象.2.7 A g N b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料储能性能分析 图1 4为A g N b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料的储能密度及储能效率.图1 4 A g N b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料的储能密度和储能效率从图1 4可 以 看 出,A g N b O3KH 5 6 0/PM-MA薄膜复合材料的储能效率都高于8 8%,尤其是当A g N b O3KH 5 6 0陶瓷填料的质量分数为921陕西科技大学学报第4 1卷0.3w t%时储能效率是极高的,达到9 6.3 6%.因此可得A g N b O3粉体质量分数为0.3w t%时A g N b O3KH 5 6 0/P MMA薄膜复合材料具有最大击穿场强3 6 0k V/mm,最大极化强度5.7 6C/c m2,以及在较高储能效率9 6.3 6%下的最大储能密度1 0.0 3J/c m3,其性能达到最优.3 结论通过将共沉淀法成功制备出A g N b O3粉体并用硅烷偶联剂KH 5 6 0对其进行表面改性,将A g-N b O3粉体引入PMMA基体中,制备了A g N b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料.主要结论如下:(1)由于A g N b O3本身具有高的介电常数,相对于纯的PMMA,低浓度A g N b O3粉体的引入可以提高复合材料的介电常 数,添加量 为3 w t%A g N b O3时的复合材料在1 0 0H z时的介电常数约为7.0 1.(2)A g N b O3具有大的饱和极化(Pm a x)和小的剩余极化(Pr)的反铁电材料的典型特征,其在高电场下的高饱和极化可以在复合材料中诱导出高的,从而提高复合材料的储能密度.(3)在3 6 0k V/mm电场下,0.3w t%A g N-b O3KH 5 6 0/PMMA复合材料的储能密度达到1 0.0 3J/c m3,储能效率达到9 6.3 6%.参考文献1 J i a n gY,Z h a oY,W a n gH,e ta l.Ar e v i e wo fm e c h a n i s ma n dp r e v e n t i o nt e c h n o l o g i e so f c o a lb u m p s i nC h i n aJ.J o u r n a lo fR o c k M e c h a n i c sa n dG e o t e c h n i c a lE n g i n e e r-i n g,2 0 1 7,9(1):1 8 0-1 9 4.2C h i s a l eSW,M a n g a n iP.E n e r g ya u d i ta n df e a s i b i l i t yo fs o l a rP Ve n e r g ys y s t e m:C a s eo fac o mm e r c i a lb u i l d i n gJ.J o u r n a l o fE n e r g y,2 0 2 1,1:55 4 46 6 4.3Z h aJW,Z h e n gMS,F a nBH,e t a l.P o l y m e r-b a s e dd i e-l e c t r i c sw i t hh i g hp e r m i t t i v i t yf o re l e c t r i ce n e r g ys t o r-a g e:Ar e v i e wJ.N a n oE n e r g y,2 0 2 1,8 9:1 0 64 3 8.4W a n gP,Y a oLM,P a nZB,e t a l.U l t r a h i g he n e r g ys t o r-a g ep e r f o r m a n c eo f l a y e r e dp o l y m e r n a n o c o m p o s i t e s o v e rab r o a dt e m p e r a t u r er a n g eJ.A d v a n c e d M a t e r i a l s,2 0 2 1,3 3(4 2):21 0 33 3 8.5L u oH,W a n gF,G u oR,e ta l.P r o g r e s so np o l y m e rd i e-l e c t r i c sf o re l e c t r o s t a t i cc a p a c i t o r sa p p l i c a t i o nJ.A d-v a n c e dS c i e n c e,2 0 2 2,9(2 9):22 0 24 3 8.6W e nJ,X uB,Z h o uJ.T o w a r df l e x i b l ea n dw e a r a b l ee m-b r o i d e r e ds u p e r c a p a c i t o r sf r o mc o b a l tp h o s p h i d e s-d e c o-r a t e dc o n d u c t i v e f i b e r sJ.N a n o-m i c r ol e t t e r s,2 0 1 9,1 1(1):1-1 4.7 丁国正.当今电子产品的发展趋势与前景J.电子世界,2 0 1 4(1 6):1 1 3.8K i mT,L i m H,L e eY,e t a l.S y n t h e s i so fB a T i O3n a n o p-a r t i c l e sa ss 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