摘要
随着电子电力领域的不断发展，电子设备在不断朝着小型化，集成化，柔性化和有机相容性发展。电容器由于具有能量储存，调制电流的功能，在新能源，智能电网和集成电路中是十分重要的电子元件。电容器的核心在于其中的介电材料薄膜，提高柔性聚合物材料的介电常数和储能密度是电容器小型化和高性能化的关键，对以上领域的发展有十分突出的意义。 聚丙烯（PP）由于具有高击穿强度，低介电损耗等优异的性能，非常适合用作电容器中的介电薄膜，是过去几十年里商用薄膜电容器的首选材料，并且有潜力被应用在5G通讯等新兴介电场景。但对于电容器用双向拉伸聚丙烯（BOPP）介电薄膜来说，聚丙烯较低的介电常数是其一直未能得以解决的问题，这限制了聚丙烯储能密度的提高和电容器的小型化。制备聚丙烯基介电复合材料是提高聚丙烯介电常数的一条简便思路，但又带来了聚丙烯材料击穿强度下降，介电损耗上升等新问题。这可能是因为填料和聚合物介电常数的不匹配，或存在填料-聚合物界面缺陷和填料聚集等问题，这些问题有的一直没能被系统阐明，有的则一直未能有合适的解决方案。本文以聚丙烯的改进为背景，围绕上述问题，从以下三个角度出发：填料与聚合物基体介电常数的匹配、聚合物介电薄膜的表面工程及二维介电导热填料的表面修饰。期望通过系列不同介电常数填料的实验、应用高介电涂层绕过复合材料内部界面缺陷以及精细的复合材料界面工程三个思路来实现聚丙烯基复合材料优异的介电绝缘性能，特别是提高PP的储能密度，同时减少PP复合材料的介电损耗，赋予介电材料导热性。结合有限元模拟分析结构调控的机理，尝试利用系统的数据建立聚合物基复合材料介电性能的经验预测模型。 （1）过去的研究由于聚合物基体，填料尺寸，含量，分散，界面和测试方法等均不一致，干扰因素错综复杂，难以统一成结论回答填料介电常数这一基本因素对聚合物复合材料介电储能性能的影响。本文利用介电常数具有明显差异的三种纳米粒子，保持粒子尺寸，形貌，界面和分散一致，用熔体挤出制备了系列PP基纳米复合材料，探究材料介电常数，介电损耗，击穿强度和储能密度的变化。结果表明，纳米复合材料的介电常数在0-10vol%范围内随填料含量增加而线性增加，斜率与纳米粒子的介电常数正相关。纳米复合材料的介电损耗同样随填料含量增加而线性增加，但变化斜率与纳米粒子介电常数无关，为常量。据此我们总结了复合材料介电常数的和介电损耗的经验预测公式。研究同时发现，较低介电常数的纳米粒子复合材料在同填料含量下能保持复合材料较高的击穿强度。但总的来说，高介电常数填料相比较低介电常数填料在实现复合材料同样的介电常数增幅时，所需的添加量是较少的，其复合材料的击穿强度也是更高的，介电损耗也更低，储能性能更好。加入高介电常数填料仍是改善复合材料介电储能性能的最优选择。 （2）基于上章的研究结果，本文优选高介电填料钛酸钡，使用聚乙烯醇涂层为载体负载至双向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜通表面来改善介电常数，能避免共混时在聚丙烯内引入填料-聚合物间的缺陷，保持BOPP的击穿强度和双向拉伸的加工性能。本文通过对BOPP等离子体处理和涂敷聚乙醇/钛酸钡（PVA/BT）高介电复合涂层的方式制备了PVA/BT@BOPP复合薄膜。结果表明，BOPP基膜经最优条件的等离子体处理后，介电性能和击穿强度基本不变。由于PVA/BT涂层的高介电常数，PVA/BT@BOPP复合薄膜的介电常数相比BOPP明显提升，最高从BOPP的2.3提升至4.1。同时得益于涂层内PVA与BT之间羟基的良好相互作用，涂层提供了部分击穿强度，使PVA/BT@BOPP复合薄膜实现了较高的击穿强度（＞400MV/m）。PVA/BT@BOPP复合薄膜提升的介电常数和高击穿强度使其储能密度相比BOPP明显提升。该研究给商用BOPP介电薄膜的改进提供了一条简易，低成本，与双向拉伸工艺适配性好的新方案。 （3）理论上,二维的氮化硼纳米片（BNNS）的介电常数稍高于PP,并且具有很高的击穿强度，是改进PP介电储能性能的理想选择，并且具有极低的介电损耗和优异导热性，有望同时赋予PP复合材料低损耗与导热性。但过去的研究报道BNNS的直接加入使PP的击穿强度和储能密度下降，这可能是由于BNNS与PP的不相容性。同时由于BNNS的化学惰性，BNNS的烷基化改性十分困难且复杂。本文将BNNS在正己醇中超声实现了BNNS的烷基化改性，并很好地保持了BNNS完整的面内晶格，完整的面内晶格有助于保持BNNS的绝缘性和导热性。熔体挤出的PP/Alkyl-BNNS复合材料也展现出良好的填料分散和界面。PP/Alkyl-BNNS的介电常数、击穿强度和储能密度相比PP均明显提升。PP/Alkyl-BNNS薄膜同时拥有极低的介电损耗（＜0.002）和优异的导热性。该研究推进了BNNS在商用介电材料中的应用，制备了一种储能密度提升同时拥有极低介电损耗和导热性的介电复合材料。
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