Anwendung eines Kupplungsmittels zur Verbesserung der dielektrischen Eigenschaften polymerbasierter Nanokompositen

Die in elektrischen Energiespeichern eingesetzten Dielektrika sind hauptsächlich durch zwei wichtige Parameter gekennzeichnet: die Dielektrizitätskonstante (s_r) und die Abbaufestigkeit (E_b)^1,2,3. Im Allgemeinen weisen organische Materialien wie Polypropylen (PP) ein hohes E _b (ca._r 10² MV/m) und ein niedriges E (meist <5)^4,5,6 auf, während anorganische Materialien, insbesondere Ferroelektriker wie BaTiO_3,ein hohes E (10³-10⁴) und ein niedriges E_b (ca. 10⁰ MV/m)^6,7,8aufweisen._r In einigen Anwendungen sind Flexibilität und die Fähigkeit, hohen mechanischen Stößen standzuhalten, auch für die Herstellung von dielektrischen Kondensatoren^{wichtig 4}. Daher ist es wichtig, Methoden zur Herstellung von polymerbasierten dielektrischen Verbundwerkstoffen zu entwickeln, insbesondere für die Entwicklung kostengünstiger Methoden zur Herstellung von Hochleistungs-Nanokompositen mit hoher Leistung_und E_b^{9,10,11,12,13,14,15,16,17,18}. Zu diesem Zweck sind Zubereitungsverfahren auf Basis ferroelektrischer Polymermatrizen wie dem polaren Polymer PVDF_r und seinen korrelierten Copolymeren aufgrund ihrer höheren R (10)^4,19,20weithin anerkannt. In diesen Nanokompositen, Partikel mit hohen _{e r}, vor allem ferroelektrische Keramik, wurden weit verbreitet als Füllstoffe^{6,20,21,22,23,24,25}.

Bei der Entwicklung von Verfahren zur Herstellung von Keram-Polymer-Verbundwerkstoffen besteht die allgemeine Sorge, dass die dielektrischen Eigenschaften durch die Verteilung der Füllstoffe signifikant beeinflusst werden können²⁶. Die Homogenität von dielektrischen Verbundwerkstoffen wird nicht nur durch die Aufbereitungsmethoden bestimmt, sondern auch durch die Benetzbarkeit zwischen Matrix und Füllstoffen²⁷. Es wurde durch viele Studien bewiesen, dass die Ungleichmäßigkeit von Keramik-Polymer-Verbundwerkstoffen durch physikalische Prozesse wie Spin-Coating^28,29 und Heißpressung^19,26eliminiert werden kann. Keiner dieser beiden Prozesse ändert jedoch die Oberflächenverbindung zwischen Füllstoffen und Matrizen. daher sind die mit diesen Methoden hergestellten Verbundwerkstoffe noch in der Verbesserung der Erzeugnisse r_und E_b^19,27beschränkt. Darüber hinaus sind aus Fertigungssicht unbequeme Prozesse für viele Anwendungen unerwünscht, da sie zu viel komplexeren Fertigungsprozessen führen können^28,29. In dieser Hinsicht ist eine einfache und wirksame Methode erforderlich.

Derzeit basiert die effektivste Methode zur Verbesserung der Verträglichkeit von Keramik-Polymer-Nanokompositen auf der Behandlung von keramischen Nanopartikeln, die die Oberflächenchemie zwischen Füllstoffen und Matrizen^30,31ändert. Jüngste Studien haben gezeigt, dass Kopplungsmittel leicht auf keramischen Nanopartikeln beschichtet werden können und effektiv die Benetzbarkeit zwischen Füllstoffen und Matrizen verändern können, ohne den Gießprozess^{32,33,34,35,36}zu beeinflussen. Für die Oberflächenmodifikation ist allgemein anerkannt, daß für jedes Verbundsystem eine geeignete Menge an Kupplungsmittel vorhanden ist, was einer maximalen Erhöhung der Energiespeicherdichte³⁷entspricht; überschüssiges Kupplungsmittel in Verbundwerkstoffen kann zu einem Leistungsrückgang der Produkte^36,37,38führen. Bei dielektrischen Verbundwerkstoffen, die nanogroße Keramikfüllstoffe verwenden, wird spekuliert, dass die Wirksamkeit des Kopplungsmittels hauptsächlich von der Oberfläche der Füllstoffe abhängt. Die kritische Menge, die in jedem nanogroßen System verwendet werden soll, muss jedoch noch ermittelt werden. Kurz gesagt, weitere Forschung ist erforderlich, um Kupplungsmittel zu verwenden, um einfache Verfahren für die Herstellung von Keramen-Polymer-Nanokompositen zu entwickeln.

In dieser Arbeit wurde BaTiO₃ (BT), das am weitesten untersuchte ferroelektrische Material mit hoher Dielektrizitätskonstante, als Füllstoff verwendet, und das P(VDF-CTFE) 91/9 mol% Copolymer (VC91) wurde als Polymermatrix für die Herstellung von Keramik-Polymer-Verbundwerkstoffen verwendet. Um die Oberfläche der BT-Nanofüller zu verändern, wurde das handelsübliche 3-Aminopropyltriethoxysilan (KH550) gekauft und als Kopplungsmittel verwendet. Die kritische Menge des Nanokompositsystems wurde durch eine Reihe von Experimenten bestimmt. Eine einfache, kostengünstige und weit verbreitete Methode zur Verbesserung der Energiedichte von nanoskastelligen Verbundsystemen wird demonstriert.