摘要
电介质电容器具有使用寿命长、高功率密度和充放电速率快等优点，是一种有巨大应用潜力的储能设备。作为电介质电容器的关键材料，高能量密度的介电材料成为促进先进储能装置发展的研究重点。陶瓷/聚合物复合材料常用作电介质电容器的介电材料，然而难以同时获得高介电常数和高击穿强度，导致能量密度有待提高。研究表明，梯度层状结构的陶瓷/聚合物复合材料不仅可以抑制电树的生长，提高击穿强度，而且额外的界面极化有助于增加介电常数。然而，梯度层状结构并不能解决陶瓷填料的团聚以及陶瓷/聚合物界面的电场畸变等问题。因此，研发高能量密度的新型梯度层状陶瓷/聚合物复合材料依然是一个有意义的课题。我们的研究内容包括以下两个部分： 首先，以草酸铌为铌源制备了铌酸钾钠（KNN）纳米粒子，研究了不同煅烧温度对KNN形貌和结晶度的影响。采用溶胶凝胶法将SiO2包覆在KNN表面，合成了核壳结构的KNN@SiO2纳米粒子，对比分析了SiO2包覆对KNN的形貌、元素组成、晶相结构和分子结构的影响。研究结果表明，在700℃下煅烧的KNN具有最佳形貌和结晶度，粒径约为50-200nm；包覆的SiO2为非晶相，厚度约为20nm。 其次，以聚（偏氟乙烯-六氟丙烯）（P(VDF-HFP)）为基体，通过逐层静电纺丝、热压和淬火等系列工艺，制备了三类不同结构的复合材料，分别是KNN在P(VDF-HFP)中随机分布的单层结构复合材料（记为xK/P，x是KNN在复合材料中的质量分数）、KNN或KNN@SiO2在P(VDF-HFP)中的含量呈梯度分布的梯度层状结构复合材料（分别记为yG-K/P和zG-K@S/P，y是KNN在G-K/P复合材料中的质量分数，z是KNN@SiO2在G-K@S/P复合材料中的质量分数）。对比研究了核壳结构、梯度层状结构、填料含量对复合材料的介电性能、击穿强度及能量密度的影响及其机制。研究结果表明，1G-K@S/P不仅具有最高的击穿强度（225.25kV/mm）和最高的能量密度（3.70J/cm3），分别是1G-K/P的1.22和1.35倍，1K/P的1.45和2.37倍，而且储能效率保持在64.96%。这些数据说明核壳结构和梯队层状结构的结合有利于复合材料获得高击穿强度和高能量密度。其机理是梯度层状结构的“界面屏障效应”和优化的电场分布可以抑制电树的发展，而核壳结构可以减少KNN周围的电场畸变，促进KNN和P(VDF-HFP)之间的相容性，从而提高复合材料的击穿强度。高击穿强度可以使复合材料在高电场下极化，从而获得高极化和高能量密度。在相同填料含量下，漏电流密度的排序为K/Pgt;G-K/Pgt;G-K@S/P。在102-104Hz频率范围内，三类复合材料的介电常数随着填料含量的增加逐步增大，所有复合材料的介电损耗均小于0.07，电导率在100Hz下保持在7×10-10以下。此外，以填料含量为1wt%的三类复合材料为例，采用有限元模拟方法分析了在300kV/mm外加电场下三类复合材料内部的电场分布。研究发现，梯度层状结构有利于减少电极/聚合物周围的高电场分布，抑制电荷的直接注入。核壳结构缓解了KNN周围的电场畸变，高电场区域的减少阻止了电树在复合材料中扩展的路径。
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