摘要
聚合物电容器因其高功率密度、易加工、循环稳定性好和使用寿命长等优异性能而受到世界各国的关注，并大量使用在能源、电力和高端武器等系统。但低能量密度限制了聚合物基电容器的小型化和智能化应用，提高其放电能量密度对当前工业化应用有重要意义。目前，有大量研究通过在聚合物基体中引入高含量具有高介电常数的无机纳米填料的策略来提高聚合物基复合材料的储能性能。但大量添加的无机填料与聚合物基体之间的相容性不好，不可避免在薄膜内产生团聚、孔洞等结构缺陷，导致材料击穿强度的降低。由此可见，无机填料和聚合物两种材料简单的共混在增强介电常数的同时会降低击穿强度，不能大幅度地提高聚合物电容器的储能密度。因此，本论文从薄膜结构设计的角度出发，以高极化的聚（偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯）P(VDF-TrFE-CTFE)为主要研究对象，制备一系列正向三层结构、反向三层结构和共混全有机介电材料，深入研究薄膜结构和聚合物含量比对全有机聚合物介电及储能性能的影响。具体研究内容如下： （1）将20wt%聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）加入P(VDF-TrFE-CTFE)基体中形成共混层作为外部绝缘层，抵抗来自电极的电荷注入。同时，聚丙烯酸乙酯弹性体（DE）/P(VDF-TrFE-CTFE)共混层作为中间极化层，增强介电位移。通过溶液浇铸法，制备一系列不同DE含量的正向三层结构薄膜（PMMA/P(VDF-TrFE-CTFE)为外层，DE/P(VDF-TrFE-CTFE)为中间层），并与反向三层结构和共混薄膜进行性能对比。结果发现：正向三层结构由于层间介电常数差异导致电场二次分配和层间界面产生的电场梯度抑制电树的发展，提高薄膜击穿场强。因此，含15wt%DE的正向三层结构薄膜M-15-M拥有最高击穿强度（790kV/mm），能量密度高达20.1J/cm3，比P(VDF-TrFE-CTFE)高出174%，并表现出良好的功率密度、快速放电速率和循环稳定性。 （2）通过溶液浇铸法，制备了一系列由线性低损耗的聚醚酰亚胺（PEI）和铁电高极化的P(VDF-TrFE-CTFE)组成的全有机正向三层结构、反向三层结构和共混薄膜。PEI具有高击穿强度和高玻璃化温度，可以在高温环境下使用。研究发现：PEI作为外层以及P(VDF-TrFE-CTFE)作为中间层的正向三层结构获得了出色的储能性能，其中P(VDF-TrFE-CTFE)含量为15vol%的正向三层结构薄膜P-15-P在530kV/mm的击穿场强下，放电能量密度达到8.0J/cm3，并且充放电效率保持在81%的高水平。更为重要的是，该薄膜表现出优异的介电和储能温度稳定性，介电常数在25℃-125℃之间几乎没有变化，储能密度和效率在25℃-100℃之间保持稳定，大大拓宽聚合物介电材料在高温环境下的应用。
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