反铁电陶瓷粒子填充的纳米复合电介质材料的制备与储能性能研究开题报告

全文总字数：8198字

1. 研究目的与意义（文献综述）

近几十年来，化石能源危机和人类生存环境的恶化，促使人们大力开发清洁能源和清洁能源设备，其中包括电介质容器。介电电容器和超级电容器、锂电池等电化学储能器件相比，具有更高的功率密度、更低的损耗以及更高的工作电压等优点^[1]，因此不仅是重要的基础电子元件，同时也是广泛用于电子电力系统、能源系统以及尖端武器系统等方面基本的储能器件^[2]。然而, 相比与电化学电容器(～20j /cm³)，电介质电容器的低能量密度(1-2j/cm³) ^[3], 长期以来一直未能满足日益增长的需求。

结合近年来对用作储能电容的介质材料进行的广泛研究，其中反铁电体由于具有独特的电场诱导的afe到fe的相变和较小的残余极化率而具有最佳的储能性能^[4]。其中最典型的是基于pbzro₃的钙钛矿反铁电体，如(pb,la)zro₃^[5]，(pb,la)(zr,ti)o₃ ，(plzt)，因此对这种储能介质进行了深入的研究。

以目前的发展情况来看，介电材料主要有聚合物和陶瓷两大类^[6]。对于纯的聚合物材料或是陶瓷材料，很难在能量密度上有很大的突破。因此将兼具两种材料优势的复合材料引入电容器工业，进行有机/无机复合的介电材料的研究是非常有必要的。获得复合材料时，通过将纳米陶瓷粒子添加到有机物的基体中，利用复合效应，使制得的复合电介质材料既具有良好的柔韧性和击穿强度，又具有较大的介电常数，从而在保持材料原有性能的基础上，获得较高的储能密度和效率^[7]，这便是制备聚合物基纳米复合电介质材料的基本目的。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容：本课题以聚醚酰亚胺（pei）为基体，以反铁电体锆钛酸铅镧陶瓷（plzt）作为填料，通过改变加入基体中plzt填料的含量，构造出填料的平均体积分数为0、1%、3%、5%的不同复合薄膜，通过对加工过程的工艺进行优化，比较各种浓度梯度下复合薄膜的击穿场强和介电常数，计算其储能密度，获得最优良的浓度梯度下的薄膜并进行表征。

目标：通过在pei基纳米复合电介质材料中，引入具有反铁电特性的纳米陶瓷填料，来提升材料的储能密度并降低能源损耗。

技术方案及措施：利用静电纺丝方法制备反铁电体plzt纳米纤维，将纳米纤维填充入pei聚合物基体中，利用溶液流延方法制备纳米复合薄膜材料.

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，利用静电纺丝方法制备锆钛酸铅镧陶瓷（plzt）纳米纤维，并利用xrd、sem表征结构;

第8-13周：利用溶液流延方法制备plzt/pei纳米复合薄膜材料，并表征其结 构与储能性能;

4. 参考文献（12篇以上）

[1] hao pan, yi zeng , yang shen,yuan-hua lin, and ce-wen nan, thickness-dependent dielectric and energystorage properties of (pb_0.96la_0.04)(zr_0.98ti_0.02)o₃ antiferroelectric thin films, j. appl. phys. 119, 124106 (2016)

[2] zhang,x., jiang, j. y., shen, z. h., dan, z. k., li, m., lin, y. h., nan, c. w.,chen, l. q., shen, y., polymer nanocomposites with ultrahigh energy density andhigh discharge efficiency by modulating their nanostructures in threedimensions, advanced materials, 2018, 30, 1707269.

[3] zhang,x., shen, y., xu, b., zhang, q., gu, l., jiang, j., nan, c. w.*, giant energydensity and improved discharge efficiency of solution-processed polymernanocomposites for dielectric energy storage, advanced materials, 2016,28, 2055-2061.