Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

تطبيق عامل اقتران لتحسين خصائص عازلة من نانوكومبوسس القائم على البوليمر

Published: September 19, 2020 doi: 10.3791/60916
Automatic Translation
1,2,3, 4, 4, 5, 1, 1,2
1Taiyuan University of Science and Technology, 2Heavy Machinery Engineering Research Center of the Ministry of Education, 3Laboratory of Magnetic and Electric Functional Materials and Applications, The Key Laboratory of Shanxi Province, 4Beijing Institute of Aerospace System Engineering, 5Department of Electrical and Information Engineering, Sichuan College of Architectural Technology

Summary

هنا ، ونحن نبرهن على بسيطة ومنخفضة التكلفة حل الصب عملية لتحسين التوافق بين حشو ومصفوفة من nanocomposites البوليمر على أساس باستخدام سطح تعديل BaTiO3 الحشو ، والتي يمكن أن تعزز بشكل فعال كثافة الطاقة من المركبات.

Abstract

في هذا العمل، تم تطوير طريقة سهلة ومنخفضة التكلفة وقابلة للتطبيق على نطاق واسع لتحسين التوافق بين الحشو السيراميك ومصفوفة البوليمر بإضافة 3-aminopropyltthoxysilane (KH550) كعامل اقتران خلال عملية تصنيع شركة BaTiO3-P (VDF-CTFE) نانوكومبوست من خلال صب الحل. وتبين النتائج أن استخدام KH550 يمكن أن تعدل سطح خزفيات السيراميك. لذلك ، تم تحقيق قابلية جيدة على واجهة السيراميك والبوليمر ، وتم الحصول على أداء تخزين الطاقة المعززة من قبل كمية مناسبة من وكيل اقتران. ويمكن استخدام هذه الطريقة لإعداد المركبات المرنة، وهو أمر مرغوب فيه للغاية لإنتاج مكثفات الأفلام عالية الأداء. إذا تم استخدام كمية زائدة من عامل اقتران في هذه العملية، وكيل اقتران غير المرفقة يمكن أن تشارك في ردود الفعل المعقدة، مما يؤدي إلى انخفاض في ثابت عازلة وزيادة في فقدان عازلة.

Introduction

وتتميز أساسا عازلة تطبيقها في أجهزة تخزين الطاقة الكهربائية باستخدام اثنين من المعايير الهامة: ثابت عازلة (εR)وقوة انهيار (Eب)1,2,3. بشكل عام، المواد العضوية مثل البولي بروبلين (PP) معرض E عالية ب (~10 2 MV /m)ومنخفضة ε r (في الغالب < 5)4،,5،,6 بينما المواد غير العضوية، خاصة ferroelectrics مثل BaTiO3، معرض عالية εr (103-104)وE منخفضة ب (~10 0 MV / م)6،7،8. في بعض التطبيقات، والمرونة والقدرة على تحمل الآثار الميكانيكية العالية هي أيضا مهمة لاصطناد المكثفاتعازلة 4. ولذلك، فمن المهم لتطوير أساليب لإعداد المركبات عازلة البوليمر القائم، وخاصة لتطوير أساليب منخفضة التكلفة لخلق عالية الأداء 0-3 nanocomposites مع ارتفاع εr وEب9،,10،,11،,12، 13،,13,14،,15،,16،,,18.17 لهذا الغرض، طرق إعداد على أساس مصفوفات البوليمرات الكهروئية مثل البوليمر القطبي PVDF و copolymers المرتبطة بها مقبولة على نطاق واسع نظرا لارتفاع εr (~10)4،19،20. في هذه nanocomposites ، الجسيمات مع ارتفاع ه ص، وخاصة السيراميك ferroelectric ، وقد استخدمت على نطاق واسع كما الحشو6،20،21،22،23،24،25.

عند تطوير أساليب لتصنيع مركبات السيراميك والبوليمر، وهناك قلق عام أن خصائص عازلة يمكن أن تتأثر بشكل كبير من قبل توزيع الحشو26. يتم تحديد تجانس المركبات عازلة ليس فقط من خلال أساليب التحضير، ولكن أيضا من قبل الرتمة بين المصفوفة وملء27. وقد ثبت من قبل العديد من الدراسات أن عدم التوحيد من مركبات السيراميك البوليمر يمكن القضاء عليها من قبل العمليات الفيزيائية مثل تدور طلاء28،29 والساخنة الضغط19،26. ومع ذلك، لا يغير أي من هاتين العمليتين الاتصال السطحي بين الحشو والمصفوفات؛ ولذلك، فإن المركبات التي أعدتها هذه الأساليب لا تزال محدودة في تحسين εr وEب19،27. بالإضافة إلى ذلك ، من وجهة نظر التصنيع ، والعمليات غير مريحة غير مرغوب فيها للعديد من التطبيقات لأنها يمكن أن تؤدي إلى عمليات التصنيع أكثر تعقيدابكثير 28،29. وفي هذا الصدد، هناك حاجة إلى طريقة بسيطة وفعالة.

حاليا، فإن الأسلوب الأكثر فعالية لتحسين التوافق من nanocomposites السيراميك البوليمر يقوم على معالجة جسيمات نانوية السيراميك، الذي يعدل كيمياء السطح بين الحشو والمصفوفات30،31. وقد أظهرت الدراسات الحديثة أن عوامل اقتران يمكن أن تكون مغلفة بسهولة على جسيمات نانوية السيراميك وتعديل فعال للارتق بين الحشو والمصفوفات دون التأثير على عملية الصب32،33،34،35،36. لتعديل السطح، فمن المقبول على نطاق واسع أن لكل نظام مركب، وهناك كمية مناسبة من وكيل اقتران، والذي يتوافق مع زيادة الحد الأقصى في كثافة تخزين الطاقة37؛ قد يؤدي وكيل اقتران الزائدة في المركبات في انخفاض في أداء المنتجات36,37,38. بالنسبة للمركبات العازلة باستخدام حشوات السيراميك بحجم النانو ، يتم التكهن بأن فعالية وكيل اقتران يعتمد بشكل رئيسي على مساحة السطح من الحشو. ومع ذلك، فإن الكمية الحرجة التي ستستخدم في كل نظام نانوي الحجم لم تحدد بعد. وباختصار، هناك حاجة إلى مزيد من البحوث لاستخدام عوامل اقتران لتطوير عمليات بسيطة لتصنيع نانوكومبوسات السيراميك البوليمر.

في هذا العمل، استخدمت BaTiO3 (BT)، المادة الحديدية الأكثر دراسة على نطاق واسع مع ثابت عازل عالية، كما الحشو، وP(VDF-CTFE) 91/9 mol٪ copolymer (VC91) واستخدمت مصفوفة البوليمر لإعداد مركبات السيراميك البوليمر. لتعديل سطح بريتيش تيليكوم nanofillers، تم شراؤها المتاحة تجاريا 3-aminopropyltriethoxysilane (KH550) واستخدامها كعامل اقتران. تم تحديد الكمية الحرجة من نظام النانو من خلال سلسلة من التجارب. طريقة سهلة ومنخفضة التكلفة وقابلة للتطبيق على نطاق واسع هو موضح لتحسين كثافة الطاقة من أنظمة نانو الحجم المركبة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. تعديل السطح من الحشو BT

  1. إعداد 20 مل من الحل KH550 (1 wt٪ KH550 في 95 wt٪ المذيبات الإيثانول الماء) و ultrasonicate لمدة 15 دقيقة.
  2. وزن جسيمات نانو BT (أي حشو) و KH550 على التوالي، بحيث يمكن أن تكون مغلفة الحشو مع 1، 2، 3، 4، 5 wt٪ من وكيل اقتران. علاج 1 غرام من جسيمات نانوية BT في 1.057، 2.114، 3.171، 4.228، و 5.285 مل من KH550 حل من قبل ultrasonication 30.
  3. يتبخر مذيب الماء الإيثانول من الخليط عند 80 درجة مئوية لمدة 5 ساعات ثم عند 120 درجة مئوية لمدة 12 ساعة في فرن فراغي.
  4. استخدام الجسيمات النانوية بريتيش تيليكوم الجافة كما الحشو السطح المعدلة لإعداد بريتيش تيليكوم VC91 نانوكومبوست.

2. إعداد بريتيش تيليكوم VC91 nanocomposites

  1. حل 0.3 غرام من مساحيق VC91 في 10 مل من N، N-dimethylformamide (DMF) في درجة حرارة الغرفة عن طريق التحريك المغناطيسي لمدة 8 ح للحصول على حل VC91-DMF متجانسة.
  2. إضافة 0.0542, 0.1145، 0.1819، 0.2578، 0.3437، و0.4419 غرام من جسيمات بريتيش تيليكوم النانوية إلى 10 مل من حل VC91-DMF للحصول على نسبة بريتيش تيليكوم النهائية من 5، 10، 15، 20، 25، و 30% في النيانوين. مزيج جسيمات نانو بريتيش تيليكوم عن طريق التحريك المغناطيسي لمدة 12 ساعة و ultrasonication لمدة 30 دقيقة لتشكيل متجانسة BT-VC91-DMF تعليق.
    ملاحظة: يتم استخدام كل من جسيمات بريتيش تيليكوم وبريتيش تيليكوم النانوية غير المعدلة المغلفة بعامل الاقتران.
  3. يلقي تعليق عن طريق صب بالتساوي BT-VC91-DMF على الركيزة الزجاجية مسخن 75 مم × 25 ملم (3 مل لكل الركيزة). الحفاظ على ركائز الزجاج مع تعليق في الفرن في 70 درجة مئوية لمدة 8 ساعة لتبخر المذيب DMF لتشكيل الأفلام المركبة.
  4. إطلاق المركبات من ركائز الزجاج باستخدام ملاقط حادة للحصول على الأفلام بريتيش تيليكوم VC91 القائمة بذاتها. آنال الأفلام على ورقة محمّاة بالغبار في 160 درجة مئوية في الهواء لمدة 12 ساعة.

3- التوصيف والقياس

  1. وصف مورفولوجيا وتناسق نانومبوسات باستخدام المجهر الإلكتروني المسح (SEM). للقيام بذلك، تجميد عينات BT-VC91 في النيتروجين السائل وكسر لإظهار مقطع عرضية جديدة مع حجم تقريبي 5 مم × 30 ميكرومتر (أي، واجهة السيراميك البوليمر). ثم معطف جانب واحد من المقطع العرضي مع طبقة الذهب بسمك 3−5 نانومتر وتميز الهيكل المركب باستخدام SEM (جدول المواد).
  2. باستخدام مغطي الذهب (جدول المواد) ، طبقات ذهبية مع شكل دائرة إيجابية ، قطرها 3 ملم ، وسمك 50 نانومتر ~ على جانبي نانوكومبوزيد أعدت من الخطوة 2 لتشكيل القطب لاختبار المعاوقة.
  3. وصف السعة وفقدان التحلل من نانوكومبوسس على مدى تردد من 100 هرتز إلى 1 ميغاهيرتز باستخدام محلل المعاوقة(جدول المواد)مع وظيفة Cp-D. في الاختبار، وربط طبقات الذهب على جانبي الفيلم المركب مع قطبي لاعبا اساسيا.
  4. حساب ثابت عازلة (εR)من نانوكومبوسس من السعة التي حصل عليها محلل المعاوقة باستخدام نموذج مكثف متوازي:

    εr = dCp/ε0A

    حيث ε0 = 8.85 × 10-12، A هي منطقة أقطاب الذهب ، د هو سمك العينة ، وCp هو السعة الموازية التي تم الحصول عليها عن طريق ربط الأقطاب الذهبية مع لاعبا اساسيا من محلل المعاوقة.
  5. وصف قوة انهيار nanocomposites باستخدام 10 كيلو فولت المورد الجهد العالي(جدول المواد). زيادة الحقل الكهربائي المطبق بشكل مستمر ومتعادل حتى انهيار كل عينة.
  6. تميز حلقة استيراس الحقل (P-E) في مجال الاستقطاب الكهربائي من النانومترية باستخدام مُختبر إلكتريك الحديدية. تسجيل الحلقات P-E في كل مجال كهربائي مع زيادة مستمر في مجال الكهرباء.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

الأفلام النانوية القائمة بذاتها مع محتويات مختلفة من الحشو تم تصنيعها بنجاح كما هو موضح في البروتوكول ، ووصفت بأنها xBT -VC91 ، حيث x هي نسبة حجم بريتيش تيليكوم في المركبات. وقد درست تأثير KH550 (وكيل اقتران) على مورفولوجيا والهياكل الدقيقة لهذه الأفلام BT-VC91 من قبل SEM وعرضها في الشكل 1. وتظهر الصور SEM من 30BT-VC91 nanocomposites مع 1 و 5 wt٪ وكيل اقتران في الشكل 1a والشكل 1b. توزيع حشو من nanocomposites BT-VC91 مع 1 wt٪ KH550 هو أكثر كثافة وأكثر اتساقا من ذلك من بريتيش تيليكوم VC91 nanocomposites مع 5 wt٪ KH550، مما يشير إلى أن الجسيمات النانوية الخزفية المعالجة بكمية مناسبة من عوامل اقتران يمكن توزيعها بشكل موحد في نانوكومبوس أثناء الصب ، في حين أن الكمية المفرطة من عامل اقتران قد يسبب تفاعلات بين الجسيمات النانوية الخزفية ، مما يؤدي إلى تجميع الحشوات. تظهر صورة المقطع العرضي (أي واجهة السيراميك البوليمر) من 30BT-VC91 nanocomposites باستخدام كما وردت (غير معدلة) بريتيش تيليكوم الحشو في الشكل 1ج، في حين أن المقطع العرضي من 30BT -VC91 nanocomposites التي تحتوي على 1 wt٪ من KH550 يظهر في الشكل 1د. بالنسبة للـ nanocomposites باستخدام BT غير المصقول ، على الرغم من أن معظم الجسيمات النانوية مغلفة بإحكام في البوليمر ، لا يزال هناك بعض الفصل بين الحشو والمصفوفة ، مما يعني أنه لا يوجد رابط بين المصفوفة و الحشو. بالنسبة لل nanocomposites باستخدام KH550 المغلفة بريتيش تيليكوم، لا يوجد فصل بين جسيمات نانو بريتيش تيليكوم ومصفوفة VC91، مما يشير إلى أن عامل اقتران يمكن أن يعمل كجسر بين حشو والمصفوفة.

ثم تم اختبار الخصائص العازلة من nanocomposites مع كميات مختلفة من وكيل اقتران وعرضها في الشكل 2. تم رسم المحتوى عازلة مقابل كمية من وكيل اقتران في 1 كيلوهرتز و 100 كيلو هرتز في الشكل 2أ، ب. بالنسبة للـ nanocomposites ذات محتوى حشو منخفض (أي 5 و 10 و 15 vol%)، لم يتغير εr من المركبات بشكل أساسي عند استخدام كمية صغيرة من عوامل اقتران، وينخفض قليلاً مع كمية عوامل اقتران متزايدة. ل nanocomposites مع محتوى حشو عالية ، ولا سيما nanocomposites مع محتوى حشو من 30 المجلد ، و εR من المركبات يزيد بوضوح مع كمية صغيرة من وكيل اقتران ، ويقلل بشكل حاد مع زيادة زيادة وكيل اقتران المبلغ. عندما كانت كمية مناسبة من KH550 المغلفة على سطح بريتيش تيليكوم حشو، يمكن تحقيق الحد الأقصى εR. على سبيل المثال، تم تحقيق εr من 51 من 30BT-VC91 مع 2 wt٪ من KH550(الشكل 2a)، وهو أكبر بكثير من 30BT-VC91 دون KH550 (حوالي 40). في هذا النظام المركب ، وزيادة εr ل nanocomposites مع كمية صغيرة من وكيل اقتران يرجع إلى زيادة الارتع على واجهة البوليمر السيراميك ، و percolation ممكن من الإضافات6،10،33؛ انخفاض εr لBT-VC91 باستخدام جسيمات نانوية BT المغلفة بكمية كبيرة من KH550 يرجع إلى تشكيل VC91-KH550 يمزج البوليمر مع ثابت عازل منخفض. يمكن أن يعزى الفرق في الخصائص العازلة بين التعبئة المنخفضة وملء نانوكومبوسيات عالية إلى الكمية الفعلية من KH550 المستخدمة في إعداد العينة. تم رسم الخسارة عازلة مقابل مبلغ وكيل اقتران في 1 كيلوهرتز و 100 كيلوهرتز في الشكل 2ج، د. VC91 BT مع KH550 لديه خسارة عازلة أعلى من BT-VC91 دون KH550.

كما تم تسجيل نقاط القوة انهيار VC91 نانوموزات كما تظهر في الشكل 3. لتحديد المبلغ الحرج من وكيل اقتران، تم عرض قوة انهيار مقابل مبلغ من وكيل اقتران وقوة انهيار مقابل محتوى حشو في الشكل 3a والشكل 3b، على التوالي. كما هو متوقع، انخفض Eب BT-VC91 مع زيادة محتوى حشو(الشكل 3b)بسبب تشكيل واجهة السيراميك البوليمر. لوحظ A E القصوى ب 30BT-VC91 لـ المركبات المنتجة باستخدام الحشو المعالجة بـ 2 wt% KH550 (الشكل 3b). إذا تم استخدام كمية KH550 تتجاوز 2 wt٪ ، تم تقليل Eمن BT-VC91(الشكل 3a). بإضافة 2 wt٪ KH550، يمكن زيادة Eب 30BT-VC91 إلى 200 MV/m.

تم حساب كفاءة الشحن والتفريغ وكثافة الطاقة التفريغ من nanocomposites مع كمية مختلفة من وكيل اقتران من الحلقات P-E بهم. كمثال على كثافة الطاقة المحسنة بسبب استخدام عامل اقتران، يتم عرض خصائص تخزين الطاقة من 15BT-VC91 مع كمية مختلفة من KH550 في الشكل 4. كثافة الطاقة القصوى من بريتيش تيليكوم VC91 نانوكومبس مع كمية صغيرة من وكيل اقتران (1- 2 wt٪ زيادة على ما يبدو مقارنة مع تلك nanocomposites دون اقتران عامل (الشكل 4B) ، والتي يمكن أن تعزى أساسا إلى تعزيز قوة انهيار وعالية نسبيا تهمة التفريغ كفاءة (η). بسبب ارتفاع الخسارة تحت رفع ارتفاع الكهربائية، وη من بريتيش تيليكوم VC91 nanocomposites انخفض في التماسات كهربائية عالية نسبيا(الشكل 4a). إضافة 1 - 2 wt٪ من KH550 زيادة η من nanocomposites تحت حقل كهربائي ثابت(الشكل 4a) ، والتي نسبت إلى الجسر عرض ربط التأثير. وباختصار، بالنسبة لل nanocomposites أعدت في هذا العمل باستخدام جسيمات نانوية بريتيش تيليكوم مع ~ 200 نانومتر في القطر، فإن المبلغ الحرج من KH550 أصغر من 2 wt%.

ومن حيث الاعتماد على التردد من الخصائص العازلة، εr وتانδ من nanocomposites مقابل اختبار تردد ورسمت أيضا. على سبيل المثال، يتم عرض الخصائص العازلة من BT-VC91 مع 1 wt٪ وكيل اقتران في الشكل 5، والتي أشارت إلى أن الاعتمادات تردد من الخصائص العازلة (εr وتان تان) من جميع بريتيش VC91 nanocomposites تم تحديدها أساسا من قبل مصفوفة البوليمر بهم. انخفض تدريجيا εr من nanocomposites مع زيادة وتيرة (الشكل 5a). انخفضتان δ تدريجيا مع التردد في الترددات المنخفضة ولكن تدريجيا في الترددات العالية(الشكل 5b).

Figure 1
الشكل 1: صور SEM من المقاطع العرضية. حشو توزيع (أ) 30BT-VC91 مع 1 wt من KH550 و (ب) 30BT-VC91 مع 5 wt من KH550. السيراميك البوليمر واجهة من (ج) 30BT -VC91 دون KH550 و (د) 30BT -VC91 مع 1 wt من KH550. وقد تم تعديل هذا الرقم من تونغ وآخرون4. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: الخصائص الزلّية للمركبات مع كمية مختلفة من عوامل الإرهاب (أ)εr عند kHz 1 و(ب)εr عند kHz 100؛ (ج) تان تان في 1 كيلو هرتز و (d) تان تان في 100 كيلو هرتز. وقد تم تعديل هذا الرقم من تونغ وآخرون4. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: نقاط القوة انهيار nanocomposites مع كمية مختلفة من وكيل اقتران (أ) Eb من BT-VC91 كدالة من كمية KH550(ب)Eب BT-VC91 كدالة لمحتوى الحشو. وقد تم تعديل هذا الرقم من تونغ وآخرون4. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: أداء تخزين الطاقة من nanocomposites مع كمية مختلفة من وكيل اقتران (أ) تكلفة التفريغ وكفاءة (d) كثافة الطاقة التفريغ من 15BT -VC91 كدالة من كمية KH550. وقد تم تعديل هذا الرقم من تونغ وآخرون4. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5: اعتماد التردد على الخصائص الزيلية للنيكومبوسات النانوية (أ)εr و (ب) تان تان من BT-VC91 مع 1 wt٪ من KH550. وقد تم تعديل هذا الرقم من تونغ وآخرون4. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

كما نوقش أعلاه ، فإن الطريقة التي وضعها هذا العمل يمكن أن تحسن بنجاح أداء تخزين الطاقة من السيراميك البوليمر nanocomposites. لتحسين تأثير هذه الطريقة ، من المهم التحكم في كمية عامل الاقتران المستخدم في تعديل سطح السيراميك. بالنسبة للجسيمات النانوية الخزفية التي يبلغ قطرها 200 نانومتر تقريبًا، تم تحديد أن 2 wt% من KH550 يمكن أن يؤدي إلى كثافة طاقة قصوى. بالنسبة للأنظمة المركبة الأخرى، يمكن استخدام هذا الاستنتاج تقريبًا عندما يتم اعتماد الحشوات التي يبلغ قطرها 200 نانومتر تقريبًا. إذا تم استخدام الحشوات التي يبلغ قطرها أكبر بكثير من 200 نانومتر ، فيجب تحديد الكمية الحرجة مرة أخرى من خلال سلسلة مماثلة من التجارب.

بالمقارنة مع الأعمال الأخرى التي حاولت تحسين التوحيد والأداء من nanocomposites عازلة ، والطريقة التي وضعت في هذا العمل هو أبسط بكثير وأقل تكلفة. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن الجمع بين تطبيق وكيل اقتران مع عمليات أخرى مثل طلاء تدور والساخنة الملحة. سيتم تطبيق التعديل السطحي لخزفي نانو الحشو على نطاق واسع في تصنيع مختلف من عازلة متقدمة في المستقبل.

تجدر الإشارة إلى أن تطبيق عامل اقتران لا يغير حقا خصائص نانوكومبوس. ولذلك، فإن فعالية عامل اقتران في مركب يعتمد بقوة على اختيار الحشو والمصفوفات، والطريقة المقترحة هنا يزيد في أداء تخزين الطاقة إلا إلى حد محدود. من أجل تطوير عازلة مع زيادة كبيرة في كثافة الطاقة ، لا تزال هناك حاجة إلى إنشاء أنظمة مركبة جديدة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.

Acknowledgments

وقد دعم هذا العمل من قبل جامعة تاييوان للعلوم والتكنولوجيا البحث العلمي التمويل الأولي (20182028)، ومؤسسة بدء الدكتوراه لمقاطعة شانشي (20192006)، ومؤسسة العلوم الطبيعية لمقاطعة شانشي (201703D111003)، والمشروع الرئيسي للعلوم والتكنولوجيا في مقاطعة شانشي (MC2016-01)، ومشروع U610256 بدعم من المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3-Aminopropyltriethoxysilane (KH550) Sigma-Aldrich 440140 Liquid, Assay: 99%
95 wt.% ethanol-water Sigma-Aldrich 459836 Liquid, Assay: 99.5%
BaTiO3 nanoparticles US Research Nanomaterials US3830 In a diameter of about 200 nm
Ferroelectric tester Radiant Precision-LC100
Glass substrates Citoglas 16397 75 x 25 mm
Gold coater Pelco SC-6
High voltage supplier Trek 610D 10 kV
Impedance analyzer Keysight 4294A
N, N dimethylformamide Fisher Scientific GEN002007 Liquid
P(VDF-CTFE) 91/9 mol.% copolymer
Scanning Electron Microscopy (SEM) JEOL JSM-7000F
Vacuum oven Heefei Kejing Materials Technology Co, Ltd DZF-6020

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Lines, M. E., Glass, A. M. Principles and applications of ferroelectrics and related materials. , Oxford University Press. (2001).
  2. Nalwa, H. S. Handbook of low and high dielectric permittivity materials and their applications, phenomena, properties and applications. , Academic. San Diego, CA. (1999).
  3. Kao, K. C. Dielectric phenomena in solids. , Academic Press. (2004).
  4. Tong, Y., Li, L., Liu, J., Zhang, K., Jiang, Y. Influence of coupling agent on the microstructure and dielectric properties of free-standing ceramic-polymer composites. Materials Research Express. 6 (9), 095322 (2019).
  5. Zhang, M., et al. Controlled functionalization of poly(4-methyl-1-pentene) films for high energy storage applications. Journal of Materials Chemistry A. 4 (13), 4797-4807 (2016).
  6. Zhang, L., Cheng, Z. Y. Development of polymer-based 0-3 composites with high dielectric constant. Journal of Advanced Dielectrics. 1 (04), 389-406 (2011).
  7. Barsoum, M., Barsoum, M. W. Fundamentals of ceramics. , CRC press. (2002).
  8. Jaffe, B. Piezoelectric ceramics. , Elsevier. (2012).
  9. Zhang, L., et al. All-organic dielectric nanocomposites using conducting polypyrrole nanoclips as filler. Composites Science Technology. 167, 285-293 (2018).
  10. Liao, X., et al. Flexible hdC-G reinforced polyimide composites with high dielectric permittivity. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 101, 50-58 (2017).
  11. Xu, W., et al. Highly foldable PANi@ CNTs/PU dielectric composites toward thin-film capacitor application. Materials Letters. 192, 25-28 (2017).
  12. Zhang, L., et al. Nano-clip based composites with a low percolation threshold and high dielectric constant. Nano Energy. 26, 550-557 (2016).
  13. Zhou, S., Zhou, G., Jiang, S., Fan, P., Hou, H. Flexible and refractory tantalum carbide-carbon electrospun nanofibers with high modulus and electric conductivity. Materials Letters. 200, 97-100 (2017).
  14. Zhang, L., Du, W., Nautiyal, A., Liu, Z., Zhang, X. Recent progress on nanostructured conducting polymers and composites: synthesis, application and future aspects. Science China Materials. 61 (3), 303-352 (2018).
  15. Xie, Y., Yu, Y., Feng, Y., Jiang, W., Zhang, Z. Fabrication of Stretchable Nanocomposites with High Energy Density and Low Loss from Cross-Linked PVDF Filled with Poly(dopamine) Encapsulated BaTiO3. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (3), 2995-3005 (2017).
  16. Zhang, L., Wu, P., Li, Y., Cheng, Z. Y., Brewer, J. C. Preparation process and dielectric properties of Ba0.5Sr0.5TiO3-P(VDF-CTFE) nanocomposites. Composite Part B: Engineering. 56, 284-289 (2014).
  17. Dang, Z. M., et al. Fundamentals, processes and applications of high-permittivity polymer-matrix composites. Progress in Materials Science. 57 (4), 660-723 (2012).
  18. Wu, P., et al. Effect of coupling agents on the dielectric properties and energy storage of Ba0.5Sr0.5TiO3/P(VDF-CTFE) nanocomposites. AIP Advances. 7 (7), 075210 (2017).
  19. Zhang, L., et al. Process and microstructure to achieve ultra-high dielectric constant in ceramic-polymer composites. Scientific Reports. 6, 35763 (2016).
  20. Lu, X., Tong, Y., Cheng, Z. Y. Fabrication and characterization of free-standing, flexible and translucent BaTiO3-P (VDF-CTFE) nanocomposite films. Journal of Alloys and Compounds. 770, 327-334 (2019).
  21. Goyal, R. K., Katkade, S. S., Mule, D. M. Dielectric, mechanical and thermal properties of polymer/BaTiO3 composites for embedded capacitor. Composites Part B: Engineering. 44 (1), 128-132 (2013).
  22. Pan, Z., et al. Fast discharge and highenergy density of nanocomposite capacitors using Ba0.6Sr0.4TiO3nanofibers. Ceramics International. 42 (13), 14667-14674 (2016).
  23. Hu, G., et al. Preparation and dielectric properties of poly(vinylidene fluoride)/Ba0.6Sr0.4TiO3 composites. Journal of Alloys and Compounds. 619, 686-692 (2015).
  24. Chen, Y., Chan, H. L. W., Choy, C. L. Nanocrystalline lead titanate and lead titanate/vinylidene fluoride-trifluoroethylene 0-3 nanocomposites. Journal of the American Ceramic Society. 81 (5), 1231-1236 (1998).
  25. Singh, P., Borkar, H., Singh, B. P., Singh, V. N., Kumar, A. Ferroelectric polymer-ceramic composite thick films for energy storage applications. AIP advances. 4 (8), 087117 (2014).
  26. Dang, Z., et al. Fundamentals, processes and applications of high-permittivity polymer-matrix composites. Progress in Materials Science. 57 (4), 660-723 (2012).
  27. Arbatti, M., Shan, X. B., Cheng, Z. Y. Ceramic-Polymer Composites with High Dielectric Constant. Advanced Materials. 19 (10), 1369-1372 (2007).
  28. Fan, B., Liu, Y., He, D., Bai, J. Achieving polydimethylsiloxane/carbon nanotube (PDMS/CNT) composites with extremely low dielectric loss and adjustable dielectric constant by sandwich structure. Applied Physics Letters. 112 (5), 052902 (2018).
  29. Liao, S., et al. A surface-modified TiO2 nanorod array/P(VDF-HFP) dielectric capacitor with ultra-high energy density and efficiency. Journal of Materials Chemistry C. 5 (48), 12777-12784 (2017).
  30. Mittal, K. L. Silanes and Other Coupling Agents. 3, CRC Press. (2004).
  31. Zhang, X., et al. Superior Energy Storage Performances of Polymer Nanocomposites via Modification of Filler/Polymer Interfaces. Advanced Materials Interfaces. 5 (11), 1800096 (2018).
  32. Yeh, J. M., et al. Thermal and optical properties of PMMA-titania hybrid materials prepared by sol-gel approach with HEMA as coupling agent. Journal of Applied Polymer Science. 94 (1), 400-405 (2004).
  33. Yang, C., Song, H. S., Liu, D. B. Effect of coupling agents on the dielectric properties of CaCu3Ti4O12/PVDF composites. Composites Part B: Engineering. 50, 180-186 (2013).
  34. Iijima, M., Sato, N., Lenggoro, I. W., Kamiya, H. Surface Modification of BaTiO3 Particles by Silane Coupling Agents in Different Solvents and Their Effect on Dielectric Properties of BaTiO3/Epoxy Composites. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 352 (1-3), 88-93 (2009).
  35. Zhang, Q., et al. Enhanced Dielectric Tunability of Ba0.6Sr0.4TiO3/Poly(vinylidene fluoride) Composites via Interface Modification by Silane Coupling. Agent. Composites Science and Technology. 129, 93-100 (2016).
  36. Dang, Z. M., Wang, H. Y., Xu, H. P. Influence of Silane Coupling Agent on Morphology and Dielectric Property in BaTiO3/Polyvinylidene fluoride Composites. Applied Physics Letters. 89 (11), 112902 (2006).
  37. Tong, Y., Zhang, L., Bass, P., Rolin, T. D., Cheng, Z. Y. Influence of silane coupling agent on microstructure and properties of CCTO-P(VDF-CTFE) composites. Journal of Advanced Dielectrics. 8 (02), 1850008 (2018).
  38. Shan, X. High dielectric constant 0-3 ceramic-polymer composites. , Auburn University. (2009).

Tags

الهندسة، الإصدار 163، عازلة، نانوكومبوس، وكيل اقتران، السيراميك البوليمر، المجهرية، قائمة بذاتها
تطبيق عامل اقتران لتحسين خصائص عازلة من نانوكومبوسس القائم على البوليمر
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Li, H., Zhang, D., Li, Z., Li, L.,… More

Li, H., Zhang, D., Li, Z., Li, L., Liu, J., Li, Y. Application of a Coupling Agent to Improve the Dielectric Properties of Polymer-Based Nanocomposites. J. Vis. Exp. (163), e60916, doi:10.3791/60916 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter