LB制备铁电聚合物纳米薄膜及其性能表征开题报告

全文总字数：5899字

1. 研究目的与意义（文献综述）

根据经典电磁学理论的定义，储能密度是指材料单位体积内容纳的电能。对于非线性电介质，在电场强度为e的电场下，电位移d的微小变化量dd引起的能量密度变化量为edd。储能密度可表示为： ；对于线性电介质，储能密度可表示为。由此可见，电介质材料的能量密度主要由介电常数和击穿场强来共同决定，同时提升介电常数与击穿场强对获得高的储能密度至关重要^[1-3]。

目前常用的电介质材料包括陶瓷和聚合物。相比于传统的陶瓷电介质，聚合物电介质具有易于加工、柔性好，重量轻、与有机基材和印刷电路板相容性好以及本征击穿场强高等优点，因此在脉冲功率电源领域、换能器应用传感领域发挥着至关重要的作用^[4]。

聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，简称pvdf）是一种典型的铁电聚合物，分子式为（cf₂-ch₂）n，其中氟原子具有研究者所知最大的电负性以及仅次于氢原子的原子半径，这使得碳原子与氟原子之间形成得到c-f键具有很强的极性。此外，pvdf分子明显的方向性排列以及原子的不对称性，使pvdf 某些晶型具有很强的极性。pvdf为多晶型半结晶聚合物，结晶度为40-50%，存在结晶相和非结晶相，结晶相与非结晶相的热膨胀系数不同，受外力的作用时候，结晶相的极化和指向因发生应变而产生响应，使晶区产生压电性。pvdf 主要有4种晶型结构：α相、β相、γ相、σ相，其中α相为顺式构象，不显示宏观极性，β相为全反式构象，氟原子位于分子链的同一侧，分子链沿着一个特定的方向平行排列，偶极子方向相同，因此β相的自发极化强度最大。制备pvdf的方法有很多，α相是最稳定也最常见的晶相，熔融结晶过程都会生成，由于其非极性，无实用价值。但是pvdf晶型之间可以互相转换。通常获得β相的方法有机械拉伸^[5-6]、电场极化^[7]、高压退火^[8]等方法。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

本课题拟使用瑞典百欧林科技公司ksv nima膜分析仪，采用lb提拉膜技术，在基片上提拉单层分子或多层分子铁电聚合物pvdf薄膜，然后通过sem，pfm，xrd，电滞回线测试等方法表征聚合物薄膜的极性微区结构、电学与力学性能。

2.2目标

通过制备高质量纳米级的铁电聚合物pvdf薄膜，提高介电性能和储能密度，对聚合物材料中的铁电物理机制进行解析，为铁电聚合物的广泛应用提供理论指导。

2.3技术方案及措施

1. 在制备lb薄膜时，首先将pvdf以很小的比重溶解到溶剂dmac中，搅拌超声后，分别测试dmac和pvdf（dmac）的表面压-分子面积等温线（π-a等温线）^[17]。 dmacπ-a等温线证明pvdf单分子层压缩时dmac已经完全挥发。pvdf（dmac）π-a等温线记录的是气液界面处pvdf单分子层压缩过程中经历的气、液、固三种二维相变直至单分子膜破坏的过程^[18-19]。

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   3. 研究计划与安排

   第1-3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告；

   第3-18周：按照设计方案，利用lb制备铁电聚合物纳米薄膜;

   第8-13周：利用afm，sem，xrd，pfm表征铁电聚合纳米薄膜的结构与微区铁电特性;

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   4. 参考文献（12篇以上）

   [1] zhang, x., li, b. w., dong, l. j., liu, h. x., chen, w., shen, y., nan,c. w.*, superior energy storage performances of polymer nanocomposites viamodification of filler/polymer interfaces, advanced materials interfaces, 2018,5, 1800096.

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