聚酰亚胺基电介质复合材料的制备与性能研究开题报告

全文总字数：3790字

1. 研究目的与意义（文献综述）

现今能源存储系统大致划分为燃料电池、固态电池、超级电容器和介电电容器等，不同的储能装置在功率密度和能量密度上有很大的差异。与固态电池、超级电容器相比，储能电介质电容器具有高功率密度，快速充放电和使用寿命长等优点。但是与固态电池和超级电容器相比，现有电介质电容器的储能密度相对较低，导致其体积和质量相对较大，不利于运输、安装以及日常维护。电介质电容器有着与其他储能装置不同的优势，使其应用非常广泛，同时其缺点也限制了它的使用范围。我们可以针对电介质电容器的缺点进行弥补，提高电介质的储能密度；也可以针对其优点进行强化，制造出更高功率密度的电介质电容器。

聚合物电介质薄膜电容器作为一种重要的能量存储器件，具有功率密度高、充放电速度快、使用寿命长等优点，因此在混合动力汽车、脉冲功率器件、地下油气开采、航空航天电子电力系统等前沿科技领域备受青睐。然而这些新兴领域大多涉及到高温工作环境，现有的bopp电介质薄膜使用的上限温度仅为70^oc，装备在高温工作环境中常需要配置冷却系统使其处于工作温度，这不仅消耗了成本也消耗了资源。但现有耐高温介电材料不仅成本高昂且性能不佳，工艺条件也较为苛刻，因此亟需发展新型耐高温电介质薄膜。

聚酰亚胺具有优异的热稳定性，其耐高温达400℃以上 ，长期使用温度范围-200～300℃；电气绝缘性能也是极为优秀，经常用作绝缘涂料用于各种电气设备，成膜性能也十分良好，流延法即可成膜，具备发展为高温介电储能材料的潜在优势。但聚酰亚胺本身介电性能并不十分优秀，需要进行复合改性提高它的介电常数与击穿强度，让其成为即使在高温下也不输于常规电介质电容器的材料，具有巨大的发展空间。

2. 研究的基本内容与方案

在高介电材料种类中,铁电陶瓷具有极高介电常数,但其加工温度高、损耗大且击穿强度低:聚合物具有优良机械性和较高的击穿强度等特性,但其介电常数普遍较低。因此,采用复合技术,以高介电陶瓷或导电粒子填充聚合物基复合材料可以同时具有以上性能。同时若将高击穿强度材料制成的薄膜复合在高介电常数薄膜的表面，形成两层夹一层的三明治结构，将大大提升复合膜的综合性能。三明治结构复合膜与传统的单层膜相比,合理设计聚合物纳米复合材料能够在空间上的互补性质组织多组分协同的方式提高介电常数,然后大大提高放电能量密度,同时保持低损失、高充放电效率。

本设计选定几种陶瓷纳米颗粒作为填充物，选聚酰亚胺作为基底，制成陶瓷-聚酰亚胺复合膜。首先简单探究聚酰亚胺最佳工艺流程，用流延法将聚酰亚胺前驱体聚酰亚胺酸制成膜在不同温度梯度下进行热亚胺化，测试其介电、铁电性能与热亚胺化程度，得出最佳工艺流程。再采用溶液共混的方法使不同体积分数配比的填充物充分分散在聚酰亚胺酸中，再使用流延法工艺，制备出一系列聚酰亚胺基电介质复合薄膜。再利用SEM、XRD等表征复合薄膜微观结构，利用介电仪、铁电仪等表征复合薄膜介电及铁电性能，对其性能进行对比分析，最终选出较为合适的配比组合采用热压法制备出三明治结构聚酰亚胺基电介质复合膜，使所制复合薄膜在介电常数与击穿电压等综合性能不逊于纯聚酰亚胺膜。

3. 研究计划与安排

第1-4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5-8周：按照设计方案，制备聚酰亚胺基纳米复合电介质薄膜。

第9-16周：系统表征聚酰亚胺基纳米复合电介质薄膜的微观结构与介电性能。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]刘金刚, 张秀敏, 田付强, et al. 耐高温聚合物电介质材料的研究与应用进展. 电工技术学报, 2017(16).

[2]diaham s, locatelli m l, lebey t, et al. thermal imidization optimization of polyimide thin films using fourier transform infrared spectroscopy and electrical measurements. thin solid films, 2011, 519(6): 1851-1856.

[3]zou c, kushner d, zhang s. wide temperature polyimide/zro2 nanodielectric capacitor film with excellent electrical performance[j]. applied physics letters, 2011, 98(8): 082905.