编号：FTJS107384
篇名： 高介电共掺杂二氧化钛陶瓷材料及其聚丙烯复合薄膜的制备与性能
作者： 谭龙
关键词： 共掺杂二氧化钛; 有机无机复合材料; BOPP薄膜; 介电性能; 高储能密度;
机构：北京化工大学
摘要： 基于双向拉伸工艺制备的聚丙烯薄膜（BOPP）,在薄膜电容器介质领域占据主导地位,具有快速充放电效率、高击穿强度及柔性、机械性能良好、可规模化加工和高频特性好等优点,同时也存在介电常数低,储能密度低,体积大等不可忽视的问题。本文针对BOPP介电常数低,储能密度低等特征,利用简单易加工的方法,实现介电常数和储能密度的进一步优化。首先利用溶胶凝胶法制备无机共掺杂二氧化钛陶瓷材料,然后与聚乙烯醇聚合物基体复合制备出具有高介电常数的极化层浆料,最后通过有利于工业化的方法将极化浆料刮涂至BOPP薄膜表面制备得到BOPP复合薄膜,在保证BOPP优异击穿性能的同时,提升介电常数以提升其储能性质。本文主要研究内容如下: （1）以溶胶凝胶法制备出具有高介电常数的铕和铌（Eu+Nb）共掺杂二氧化钛（x ENTO）陶瓷材料,并探索预烧结温度和粒径对介电常数的影响。950℃-1100℃预烧结后得到共掺杂二氧化钛为金红石相,但温度较低或较高会对结晶情况产生不利影响,而预烧结温度为1000℃得到的x ENTO最为优异。随着球磨时间的增加,x ENTO的粒径减小,过久会产生二次团聚,8小时球磨时间使得颗粒尺寸在烧结后性能最优。介电性能也随着掺杂量的增加而增加,在预烧结温度为1000℃,球磨时间为8小时时,3%掺杂量的x ENTO实现1 k Hz下1.79×10～4的介电常数和0.18的介电损耗,共掺杂体系的介电常数较原始二氧化钛提升达两个数量级。 （2）利用上述制备得到的共掺杂二氧化钛陶瓷材料,先用硅烷偶联剂将陶瓷颗粒进行化学改性,增加颗粒与聚合物间相容性,减少界面缺陷。后通过球磨分散的方法,将修饰后的共掺杂二氧化钛陶瓷颗粒与聚乙烯醇（PVA）溶液复合,制备得到具有高介电性能、高流动性和静置一周后75%稳定性的功能化浆料。干燥固化后的复合材料与未经改性的相对比,发现修饰后的复合材料具有在1 k Hz下23.23的介电常数,最高170.28 MV/m的击穿强度,大大增强功能浆料的高介电极化能力。 （3）先对BOPP表面进行电晕处理,再将功能浆料刮涂至BOPP薄膜表面制备得到极化层分别为1μm和2μm的BOPP复合薄膜。探索了不同极化层对性能的影响,与BOPP和1μm极化层的复合薄膜相比,在1 k Hz下2μm极化层的复合薄膜介电常数达到3.3,是纯BOPP的130%,同时还保持了694 MV/m的击穿强度,最终复合薄膜的放电能量密度最高达到1.91 J/cm3,保持了83.4%的储能效率。