随着电子工业的飞速发展和不可再生性能源的迅速减少，储能设备的开发成为一个重要的研究领域。储能介质电容器具有使用寿命长、充放电速度快和功率密度高等特点，是未来储能设备的可行选择之一。为满足未来电容器小型化、轻量化的需求，亟需提高电容器的储能密度，其关键就在于开发高储能密度的电介质材料。由于材料的储能密度与介电常数和击穿场强成正比，提高材料的介电常数等性能可以有效改善其储能密度。相对于陶瓷电介质，聚合物电介质具有轻质、易加工和高击穿场强等特点，但介电常数低。目前，通过特殊方法在聚合物中添加高介电陶瓷或导电填料为提高聚合物电介质介电常数的两种有效途径。
近日，以南京工业大学材料科学与工程学院硕士研究生汤骏航为第一作者、毛泽鹏副教授为通讯作者在国际期刊Ceramics International发表题为“Comparation of barium titanate and multi-walled carbon nanotubes modified PVDF composites: A perspective of dielectric, crystalline, rheological and mechanical properties”的研究工作。该工作选用高介电陶瓷钛酸钡（BaTiO3，BT）和导电填料多壁碳纳米管（MWCNT）修饰铁电聚合物聚偏氟乙烯（PVDF），通过简单熔融共混的工艺制备了PVDF/BT和PVDF/MWCNT两种复合材料，对比了它们的介电、结晶、流变和机械性能。
图1 PVDF/BT和PVDF/MWCNT在电场下的示意图及介电性能对比。
在电场中，BT的自发极化及其分散在PVDF中产生的大量界面极化可以有效提高PVDF/BT的介电常数。MWCNT可以在PVDF中形成微电容结构，两根相邻且互不接触的MWCNT充当电极，它们之间的PVDF为电介质。当MWCNT在PVDF中形成大量有效微电容时，PVDF/MWCNT的介电常数将得到显著提升。有趣的是，当BT和MWCNT的含量分别为50 vol%和0.5 vol%时，PVDF/BT和PVDF/MWCNT的介电常数同为70左右 (102 Hz)，MWCNT的含量仅为BT的百分之一。0.5 vol% MWCNT在PVDF中建立的微电容网络不稳定，容易受到电场频率的干扰而破坏，介电常数对电场频率敏感性较大。0.5 vol% MWCNT介电常数增大的同时，由于电导造成的损耗也明显增大。
在本研究中，使用BaTiO3和MWCNT分别修饰铁电聚合物PVDF，探究了两种提升复合材料介电常数的原理。导电MWCNT在PVDF中形成微电容结构，在极低的含量下就可实现高介电常数，而达到相同的介电常数需要大量的BT。由于MWCNT的添加量极少，PVDF/MWCNT的流变性能并未受到明显影响，大长径比的MWCNT使PVDF/MWCNT的机械性能略有增强。需要指出的是，大量的BT及其与PVDF差的相容性导致PVDF/BT的流变和机械性能稍有下降。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.10.199
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