Alle dielektrischen Polymerfilme zur Erzielung von Filmkondensatoren mit hoher Energiedichte durch Mischen von Poly(Vinylidenfluorid-Trifluorethylen-Chlorfluorethylen) mit aromatischem Polythioharnstoff

Einführung

Für kompakte und zuverlässige Stromversorgungssysteme werden dielektrische Filmkondensatoren mit hoher Energiedichte, geringem dielektrischen Verlust und hohem Wirkungsgrad benötigt [1,2,3,4,5,6,7]. Unter den verfügbaren elektrischen Energiespeichertechnologien weisen dielektrische Filmkondensatoren aufgrund ihrer ultraschnellen Lade- und Entladefähigkeit die höchste Leistungsdichte auf [8, 9]. Dielektrische Energiespeichermaterialien spielen eine entscheidende Rolle bei dielektrischen Filmkondensatoren, die Leistung dielektrischer Filme entscheidet über die meiste Leistung von Kondensatoren und die Konstruktion einer hohen Energiedichte, und dielektrische Filme mit niedrigem dielektrischen Verlust ziehen die meiste Aufmerksamkeit in der einschlägigen Forschung auf sich. Derzeitige dielektrische Materialien bestehen jedoch in den Dilemmata, die sowohl eine hohe Energiedichte als auch eine hohe Effizienz aufweisen. Im Allgemeinen haben Polymere eine hohe Durchschlagsfeldstärke, aber eine niedrige Dielektrizitätskonstante [10, 11]. Die Energiedichte von biaxial orientiertem Polypropylen (BOPP), das heute ein weit verbreitetes lineares dielektrisches Polymer ist, beträgt nur 1,2 J/cm ³ , was weit von den Erfordernissen der praktischen Anwendung entfernt ist. Keramikmaterialien haben bekanntlich eine hohe Dielektrizitätskonstante, jedoch ist die Durchbruchfeldstärke sehr gering und der Herstellungsprozess kompliziert. Es ist bereits üblich, anorganische Nanomaterialien mit hoher Dielektrizitätskonstante in organische Polymere für Dielektrika mit hoher Energiedichte zu füllen. In vielen Fällen führt die Rekombination der beiden Materialien jedoch aufgrund der unterschiedlichen Kompatibilität zwischen den beiden Bestandteilen zu einer Aggregation und Grenzflächenadhäsion, was zu einem hohen dielektrischen Verlust führt. Zu diesem Zweck müssen neue dielektrische Materialien gesucht und entwickelt werden, um die Energiedichte der Filme und verwandter Geräte weiter zu erhöhen.

Im Vergleich zu anorganischen Materialien sind Polymere aufgrund ihrer einfachen Verarbeitungstechnologie und geringen Dichte attraktive Materialien, die als Dielektrika verwendet werden können [12,13,14], was zu leichten und flexiblen Folien führt. Als Polymerdielektrika wurden Poly(vinylidenfluorid) (PVDF) und seine Copolymere aufgrund ihres hohen Durchbruchsfeldes und ihrer Dielektrizitätskonstante für Kondensatoranwendungen ausgiebig untersucht [15,16,17,18,19]. Das hohe Dipolmoment der CF-Bindung erzeugt ein PVDF-basiertes Polymer mit höherer Dielektrizitätskonstante. Leider schränken die hohe remanente Polarisation und der große Hystereseverlust von PVDF und seinen Copolymeren ihre Anwendung auf dielektrische Materialien in Kondensatoren ein. Ein Weg, dieses Problem zu lösen, besteht darin, ein relaxiertes ferroelektrisches Polymer mit reduzierter Hysterese zu entwerfen, indem strukturelle Defekte in die PVDF-Matrix eingebaut werden. Chlorfluorethylen (CFE) wird beispielsweise in Poly(vinylidenfluorid-trifluorethylen) (PVDF-TrFE) eingeführt, um Poly(vinylidenfluorid-trifluorethylen-chlorfluorethylen) (PVDF-TrFE-CFE) und eine enge Hystereseschleife und eine hohe Dielektrizitätskonstante zu bilden werden beobachtet [20, 21]. PVDF-Terpolymere weisen jedoch unter einem hohen elektrischen Feld einen hohen dielektrischen Verlust auf [22].

In den letzten Jahren wurden lineare dielektrische Polymere mit polaren Gruppen aufgrund der hohen Durchbruchsfeldstärke und Entladungseffizienz als Hochleistungspolymer-Dielektrika verwendet. Noch wichtiger ist, dass zahlreiche lineare dielektrische Polymere mit unterschiedlichen polaren Gruppen gemäß der ersten Prinziprechnung für verschiedene Anwendungen entworfen werden können [23]. Unter diesen Polymeren wurde aromatischer Polythioharnstoff (ArPTU) als ein neues lineares dielektrisches Polymer mit hoher Durchschlagsfeldstärke (1,0 GV/m) und hoher Lade- und Entladeeffizienz (90% bei 1,1 GV/m) beschrieben [24, 25]. Die aromatischen Polymerfilme zeigen unter hohen elektrischen Feldern immer noch eine lineare dielektrische Reaktion. Im Gegensatz zu anderen unpolaren Polymeren können der zufällige Dipol und die amorphe Glasphasenstruktur der polaren Gruppen in ArPTU als Falle wirken, wodurch die Streuung von Ladungsträgern stark erhöht und so der Leitungsverlust bei hohem elektrischem Feld stark reduziert wird. Die ArPTU ist jedoch aufgrund der starren aromatischen Gruppen spröde, was sie für die großflächige Filmherstellung für dielektrische Filmkondensatoranwendungen, insbesondere die auf Rolle-zu-Rolle-Verarbeitung basierenden Vorrichtungen, ungeeignet macht. Als Filmherstellungsverfahren erscheinen einige neue Methoden wie der 3D-Druck für eine mögliche Herstellung der dielektrischen Schicht [26, 27]. Es muss jedoch noch weiter verbessert werden, bevor es auf den Filmherstellungsprozess angewendet werden kann, insbesondere für großflächige Verbunddielektrika.

Um diese Probleme zu lösen, wurde in diesem Artikel ein vollständig organisches dielektrisches PVDF-TrFE-CFE/ArPTU-Material untersucht, um sowohl eine hohe Energiedichte als auch einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Vor dem Compoundierungsprozess wurde der Einfluss des Molekulargewichts auf die Leistung von ArPTU im Detail untersucht, um den guten synergistischen Effekt zwischen zwei Polymeren zu erzielen, und dies würde wertvollere Anweisungen zum Aufbau hochleistungsfähiger und vollorganischer Dielektrika auf Basis eines linearen Dielektrikums liefern Materialien. Dann wurde durch Einmischen einer kleinen Menge ArPTU in die PVDF-TrFE-CFE-Matrix ein einfaches Lösungsgießverfahren verwendet, um großflächige Verbundfilme herzustellen, und es wurden dielektrische Verbundfilme mit hoher Energiedichte und Effizienz erreicht. Insbesondere ist dieses Verbundpolymer leicht zu verarbeiten, leichter und kostengünstiger [28,29,30], was eine vielversprechende Zukunft als dielektrische Hochleistungskondensatoren und Energiespeicheranwendungen zeigt.

Materialien und Methoden

Materialien

PVDF-TrFE-CFE 63,2/29,7/7,1 (Mol-%) wurde von Piezotech (Frankreich) bezogen. 4,4′-Diphenylmethandiamin (MDA) wurde von Aladdin (Shanghai, China) bezogen und p -Phenylendiisothiocyanat (PDTC) wurde von Acros (Belgien) bezogen. N -Methylpyrrolidon (NMP) wurde von Chengdu Kelong Chemical Company geliefert.

Polythioharnstoff-Synthese und Filmvorbereitung

Die ArPTU wurde durch die Polykondensationsreaktion synthetisiert. 1,922 g (0,01 Mol) PDTC und 1,982 g (0,01 Mol) MDA wurden in einen Dreihalsrundkolben gegeben, der zuvor mit 40 ml NMP-Lösungsmittel unter einem N₂ . beschickt worden war Atmosphäre. Nach 6 h Reaktion bei Raumtemperatur wurde es 3–5 Mal mit Methanol gewaschen und dann 12 h in einem Vakuumofen bei 60 °C getrocknet, um den Polythioharnstoff zu erhalten. Durch Steuern des Verhältnisses der beiden Monomere des synthetischen Polythioharnstoffs werden drei Polythioharnstoffe mit unterschiedlichem Molekulargewicht von A, B und C erhalten.

Die PVDF-TrFE-CFE/ArPTU-Verbundfolien mit unterschiedlichen Anteilen wurden durch ein Lösungsgussverfahren hergestellt. Zuerst wurde die vorberechnete Masse von ArPTU und PVDF-TrFE-CFE getrennt in NMP-Lösungsmittel gelöst, um die entsprechende Lösung zu bilden, und bei Raumtemperatur für 4 h gerührt. Dann wurden Lösungen mit unterschiedlichen Massenverhältnissen getrennt aus der im vorherigen Schritt hergestellten Lösung gemischt und N₂ wurde geladen, um während des Mischens erzeugte Blasen zu vermeiden, und 6 h bei Raumtemperatur gerührt. Der Film mit einheitlicher Dicke wurde durch ein Lösungsgussverfahren auf der sauberen Quarzglasplatte gebildet, und die Verbundfilme wurden durch Trocknen in einem Vakuum bei 60 °C für 12 Stunden erhalten

Elektrischer Leistungstest

Die unipolaren Polarisations-elektrischen Feld-Hystereseschleifen der dielektrischen Polymerfilme wurden unter Verwendung von Precision Multiferroic (Radiant), ausgestattet mit einem 4000-V-Verstärker, bei Raumtemperatur und einer Frequenz von 10 Hz erfasst. Die Effizienz des Lade-Entlade-Zyklus als Funktion des angelegten Feldes war durch das Verhältnis der entladenen Energie zur gespeicherten elektrischen Energie gegeben. Die Dielektrizitätskonstante und der Verlust der dielektrischen Polymerfilme wurden in einem Bereich von 100 Hz bis 1 MHz bei Raumtemperatur mit einem Impedanzanalysator (Agilent 4294A) gemessen. Die Durchbruchfeldstärke der dielektrischen Polymerfilme wurde mit einem AC- und DC-Stehspannungs-Isolationswiderstandstester (TH9201) bei Raumtemperatur gemessen. Die Durchschlagsfestigkeit der Verbundfolien wurde durch die Weibull-Verteilungsstatistik bestimmt.

Charakterisierung der Materialien

Ein Rasterelektronenmikroskop (SEM, Hitachi S-4800) wurde verwendet, um die Oberflächenmorphologie der dielektrischen Polymerfilme zu beobachten. Die Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR)-Kurven der dielektrischen Polymerfilme wurden mit einem FTIR-Spektrometer (8400S, Shimadzu) im Bereich von 400 bis 4000 cm ⁻¹ . beobachtet . Die Röntgenbeugungsmuster (XRD) der dielektrischen Polymerfilme wurden mit einem Röntgenpulverdiffraktometer (X’Pert Pro, Panalytical) unter Verwendung von Cu Kα-Strahlung aufgezeichnet.

Ergebnisse und Diskussionen

Dielektrische Eigenschaften von ArPTU-Filmen mit unterschiedlichem Molekulargewicht

Das Molekulargewicht zeigt einen deutlichen Einfluss auf die physikalische Leistung von ArPTU, insbesondere die dielektrische Leistung und Verarbeitbarkeit. Durch Steuerung der Polykondensationsreaktionsbedingungen, insbesondere des Verhältnisses der beiden Monomere, wurden ArPTU mit unterschiedlichem Molekulargewicht synthetisiert, wie in Tabelle 1 gezeigt (A, B und C sind Polythioharnstoffe, die durch das Molverhältnis PDTC/MDA (1/1) synthetisiert wurden. , PDTC/MDA (0,95/1) und PDTC/MDA (1,05/1)). Durch Einstellen des Molverhältnisses der beiden Monomere MDA und PDTC verringerten sich das Gewichtsmittel des Molekulargewichts und das Zahlenmittel des Molekulargewichts von drei ArPTUs sukzessive in der Reihenfolge A> B> C. Abbildung 1 zeigt die Dielektrizitätskonstante und den dielektrischen Verlust verschiedener molekularer Gewicht von ArPTU-Filmen als Funktion der Frequenz. Es ist ersichtlich, dass die Dielektrizitätskonstante von ArPTU-Filmen mit unterschiedlichem Molekulargewicht mit zunehmender Frequenz abnimmt. Dies liegt daran, dass das ArPTU-Molekül eine polare Gruppe-Thioharnstoffgruppe hat und die Dipole, die die Polarisation in Molekülen umkehren, viel zur Dielektrizitätskonstante beitragen. Mit steigender Testfrequenz nimmt der Beitrag der Dipol-Steuerungspolarisation ab [31]. Insbesondere bei hohen Frequenzen kann die Geschwindigkeit der Dipolsteuerung nicht mit der Änderung des elektrischen Feldes mithalten, was dazu führt, dass die Dielektrizitätskonstante mit steigender Testfrequenz abnimmt.

Die Dielektrizitätskonstante und Der dielektrische Verlust von ArPTU-Filmen mit unterschiedlichem Molekulargewicht (A, B und C sind Polythioharnstoffe, die durch das Molverhältnis PDTC/MDA (1/1), PDTC/MDA (0,95/1) und PDTC/MDA (1,05 ) synthetisiert werden /1))

Bei der Testfrequenz von 1000 Hz nimmt die Dielektrizitätskonstante von ArPTU-Filmen mit unterschiedlichem Molekulargewicht in der Größenordnung von A (4,55)> B (4,15)> C (4,10) ab, was mit der Molekulargewichtsordnung der drei ArPTU . übereinstimmt . Der Grund für dieses Phänomen kann in der koordinierten Orientierung des ArPTU-Korngrenzschichtdipols in Polymeren mit hohem Molekulargewicht liegen [32, 33]. In dieser molekularen Struktur behält das molekulare Segment der ArPTU-Korngrenzschicht nicht nur die Ausrichtungseigenschaften der Moleküle des kristallinen Bereichs bei, sondern wird auch nicht durch das Gitternetzwerk begrenzt. Daher ist in den ArPTU-Filmen die Dielektrizitätskonstante umso höher, je höher der Volumenanteil der Korngrenzenschicht ist. Der ArPTU-Film mit hohem Molekulargewicht, der mehr langkettige Moleküle enthält, und die Korngrenzschicht nehmen auch mehr Volumen ein, was zu einer höheren Dielektrizitätskonstante führt.

Wie in (Fig. 1) gezeigt, nimmt der dielektrische Verlust von ArPTU-Filmen mit unterschiedlichem Molekulargewicht zuerst ab und nimmt dann mit zunehmender Testfrequenz zu. Im Bereich von 100–10.000  Hz nimmt die DC-Ionenleitfähigkeit mit zunehmender Testfrequenz ab, was zu einer Verringerung des dielektrischen Verlustes führt. Wenn die Testfrequenz höher als 10.000 Hz ist, führt die Dipolrelaxation dazu, dass der dielektrische Verlust mit zunehmender Testfrequenz steigt [34]. Offensichtlich unterscheiden sich die dielektrischen Verlustkurven der drei Proben nicht sehr, aber es gibt nur einen kleinen Unterschied im Hochfrequenzbereich. Mit anderen Worten, das Molekulargewicht der ArPTU hat einen geringen Einfluss auf den dielektrischen Verlust von ArPTU-Filmen.

Die Ladungs-Entladungs-Effizienz von ArPTU-Filmen mit unterschiedlichem Molekulargewicht kann durch Messung der unipolaren Polarisations-elektrischen Feld-Hystereseschleifen berechnet werden, wie in (Fig. 2) gezeigt. Der Lade-Entlade-Wirkungsgrad nimmt mit der Zunahme des angelegten elektrischen Feldes ab. Verglichen mit dem ArPTU-Film mit hohem Molekulargewicht nimmt die Ladungs-Entlade-Effizienz des ArPTU-Films mit niedrigem Molekulargewicht langsamer ab. Unter einem elektrischen Feld von 2000 KV/cm erhöhte sich die Ladungs-Entladungs-Effizienz von ArPTU-Filmen mit unterschiedlichem Molekulargewicht in der Größenordnung von A (83,35 %)

Die Ladungs-Entladungs-Effizienz von ArPTU-Filmen mit unterschiedlichem Molekulargewicht (A, B und C sind Polythioharnstoffe, synthetisiert durch das Molverhältnis PDTC/MDA (1/1), PDTC/MDA (0,95 /1) und PDTC/MDA (1,05/ 1))

3 sind die XRD-Kurven von ArPTU-Filmen mit unterschiedlichem Molekulargewicht. Die ArPTU-Filme mit unterschiedlichen Molekulargewichten haben relativ breite Röntgenbeugungspeaks bei 2-22°, und die Intensität der Peaks nimmt mit zunehmendem Molekulargewicht ab. Dies liegt daran, dass ArPTU eine amorphe Struktur hat und der ArPTU-Film mit höherem Molekulargewicht mehr langkettige Moleküle enthält, was zu einem größeren amorphen Bereich führt. Dementsprechend verringerte sich die Kristallinität in Polymerfilmen, was zu einer Abschwächung des Beugungspeaks führt [35, 36].

Die XRD-Kurven von ArPTU-Filmen mit unterschiedlichem Molekulargewicht (A, B und C sind Polythioharnstoffe, die durch das Molverhältnis PDTC/MDA (1/1), PDTC/MDA (0,95/1) und PDTC/MDA (1,05/1) synthetisiert werden )

Charakterisierung von PVDF-TrFE-CFE/ArPTU-Verbundfolien

Abbildung 4 zeigt die Oberflächenmorphologie von ArPTU, PVDF-TrFE-CFE und PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10), charakterisiert durch Rasterelektronenmikroskopie (REM). Es kann beobachtet werden, dass die Oberfläche des PVDF-TrFE-CFE-Films eine dendritische Struktur darstellt, was auf seine hohe Kristallinität hinweist, die aus den XRD-Ergebnissen besteht. Der ArPTU-Film zeigt eine sehr glatte Filmoberfläche und einige kleine Partikel erscheinen auf der Oberfläche des PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10)-Verbundfilms. Offensichtlich wurden die Domänen von PVDF-TrFE-CFE durch das Mischen von ArPTU, das auch aus den XRD-Daten besteht, reduziert.

REM-Aufnahme verschiedener Filme. a ArPTU. b PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10). c PVDF-TrFE-CFE. d PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (95/5)

Die FTIR-Kurven von PVDF-TrFE-CFE/ArPTU-Verbundfolien mit unterschiedlichen ArPTU-Massenverhältnissen sind in (Abb. 5a) dargestellt. Die FTIR-Kurven zeigen, dass die Verbundfolien mit unterschiedlichen Verhältnissen offensichtliche Absorptionspeaks bei 1230 cm ⁻¹ . aufweisen , resultierend aus der -HN-CS-NH- Gruppe in Polythioharnstoff, was die Existenz von ArPTU in den Verbundfilmen beweist. Die XRD-Kurven von PVDF-TrFE-CFE/ArPTU-Verbundfolien mit unterschiedlichen Mischungsverhältnissen sind in (Abb. 5b) dargestellt. Es ist ersichtlich, dass der PVDF-TrFE-CFE-Film und der PVDF-TrFE-CFE/ArPTU-Verbundfilm offensichtliche charakteristische Peaks bei 2θ ≅ 19,72° aufweisen, und dieser Peak ist ein charakteristischer Beugungspeak der β-Phase (110) und ( 200) Kristallebenen. Die Intensität des Beugungspeaks nimmt mit steigendem ArPTU-Gehalt ab, was bedeutet, dass die Kristallinität des Verbundfilms mit steigendem ArPTU-Gehalt abnimmt. Darüber hinaus haben PVDF-TrFE-CFE-Film und PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (95/5)-Film einen schwächeren Beugungspeak bei 2θ ≅ 17,56°, und dieser Peak ist der charakteristische Beugungspeak der α-Phase (020). Kristallebene. Wenn der Massenanteil von ArPTU mehr als 10% erreicht, schwächte sich der Kristallisationspeak der α-Phase von PVDF-TrFE-CFE/ArPTU-Verbundfilmen ab, was darauf hindeutet, dass sich Verbundfilme mit zunehmender ArPTU-Komponente langsam in einen amorphen Zustand umwandeln.

a Die FTIR-Kurven von PVDF-TrFE-CFE/ArPTU-Verbundfolien mit unterschiedlichen Verbundverhältnissen. b Die XRD-Kurven von PVDF-TrFE-CFE/ArPTU-Verbundfolien mit unterschiedlichen Verbundverhältnissen

Dielektrische Eigenschaften von PVDF-TrFE-CFE/ArPTU-Verbundfolien

Basierend auf den obigen Ergebnissen wurde die ArPTU-Probe B, die eine höhere Dielektrizitätskonstante und eine höhere Entladungseffizienz aufweist, ausgewählt, um dielektrische Verbundfilme mit PVDF-TrFE-CFE herzustellen. Um den Einfluss von ArPTU auf die dielektrischen Eigenschaften der PVDF-TrFE-CFE-Matrix zu untersuchen, wurden zunächst dielektrische Frequenzspektren im Bereich von 100 Hz bis 1 MHz bei Raumtemperatur charakterisiert. Wie in (Fig. 6a) dargestellt, ist ersichtlich, dass die Dielektrizitätskonstante der Verbundfilme mit zunehmendem ArPTU-Gehalt allmählich abnimmt. Die Verbundfilme haben Dielektrizitätskonstanten von 35,72, 30,02 und 28,37 bei 95/5, 90/10 bzw. 85/15 Verhältnissen bei 1000 Hz. Die verringerte Dielektrizitätskonstante der Verbundfilme ist auf die Zugabe von ArPTU mit niedriger Dielektrizitätskonstante zurückzuführen. Gleichzeitig nimmt die Frequenzabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante der Verbundfilme mit zunehmender ArPTU-Zugabemenge ab. Dies liegt daran, dass die Thioharnstoff-Einheiten in der ArPTU mit der PVDF-TrFE-CFE-Matrix interagieren, was die Rotation der Dipole in PVDF-TrFE-CFE begrenzt [37].

a Dielektrizitätskonstante von ArPTU-, PVDF-TrFE-CFE- und PVDF-TrFE-CFE/ArPTU-Verbundfolien. b Dielektrischer Verlust von ArPTU-, PVDF-TrFE-CFE- und PVDF-TrFE-CFE/ArPTU-Verbundfolien

Abbildung 6b zeigt die Beziehung zwischen dielektrischem Verlust und Frequenz der Verbundfilme mit unterschiedlichen ArPTU-Verhältnissen. Es ist ersichtlich, dass der dielektrische Verlust aller Verbundfilme niedriger ist als der des PVDF-TrFE-CFE-Films, was darauf hinweist, dass die Zugabe von ArPTU-Molekülen den dielektrischen Verlust des PVDF-TrFE-CFE effektiv reduzieren kann. Dies wird der Thioharnstoffeinheit in Polythioharnstoff zugeschrieben, die den interplanaren Raum vergrößert, und die Dipole in der Polymerkette haben mehr Platz, um frei zu rotieren, was die Dipolrelaxation effektiv begrenzt. Da der dielektrische Verlust bei hohen Frequenzen hauptsächlich von der dipolaren Relaxation herrührt, deuten die Ergebnisse erneut darauf hin, dass die Thioharnstoffgruppen in ArPTU die Dipolrelaxation einschränken können [37, 38].

Die Durchbruchfeldstärke dielektrischer Filme ist ein weiterer wichtiger Parameter für praktische Kondensatoranwendungen. Die Durchbruchfeldstärke der Verbundfolien mit unterschiedlichen ArPTU-Verhältnissen wird durch Weibull-Verteilungsstatistiken charakterisiert, die in (Abb. 7) dargestellt sind. Für ArPTU, PVDF-TrFE-CFE, PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (95/5), PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10) und PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (85/15) Filme, die durch die Weibull-Verteilung berechnete Durchschlagsfeldstärke betrug 467,5 MV/m, 324,6 MV/m, 366,9 MV/m, 407,6 MV/m bzw. 302,4 MV/m. Es zeigt sich, dass im Vergleich zu dem PVDF-TrFE-CFE-Film die Durchbruchfeldstärke der Verbundfolien durch die Einführung von ArPTU deutlich verbessert wird, und je mehr ArPTU-Gehalt enthält, desto höhere Durchbruchfeldstärke der Verbundfolie wird erhalten. Die Zugabe von ArPTU verstärkt die Elektron-Phonon-Streuung und die Elektron-Dipol-Streuung in den Verbundfilmen, was zu einem deutlich verbesserten Durchbruchsfeld führt [38]. Wenn jedoch der ArPTU-Gehalt auf 15 % erhöht wird, verringert sich die Durchbruchsfeldstärke des Verbundmaterials, was auf das Delaminierungsphänomen von zwei Polymeren zurückzuführen sein kann, was zu mehr Defekten im Verbundmaterial und dementsprechend zu einer Verringerung der Durchbruchsfeldstärke führt. Daher wird die richtige Zugabe von ArPTU die Durchbruchfeldstärke von hochdielektrischen PVDF-TrFE-CFE-Filmen effektiv verbessern.

Weibull-Aufschlüsselung von ArPTU-, PVDF-TrFE-CFE- und PVDF-TrFE-CFE/ArPTU-Verbundfolien

Die unipolaren Polarisations-elektrischen Feld-Hystereseschleifen von PVDF-TrFE-CFE/ArPTU-Verbundfilmen mit unterschiedlichen ArPTU-Verhältnissen sind in (Fig. 8) gezeigt. Die maximale Polarisation der Verbundfilme nimmt mit der Zunahme des ArPTU-Gehalts ab. Die Restpolarisation der Verbundfilme mit drei verschiedenen Verhältnissen nimmt im Vergleich zum PVDF-TrFE-CFE-Film ab, was darauf hindeutet, dass die Zugabe von ArPTU-Molekülen die frühe Polarisationssättigung von PVDF-TrFE-CFE effektiv hemmen kann, was zu einer höheren Ladungs-Entladungs-Effizienz führt .

Unipolare Polarisations-elektrische Feld-Hystereseschleifen. a ArPTU. b PVDF-TrFE-CFE. c PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (95/5). d PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10). e PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (85/15)

In praktischen Anwendungen ist der Lade-Entlade-Wirkungsgrad ein weiterer wichtiger charakteristischer Parameter dielektrischer Materialien aufgrund des Energieverlusts, der immer zu einer Erwärmung führt und die Leistung und Zuverlässigkeit des Kondensators beeinträchtigt. Abbildung 9 zeigt die Lade-Entlade-Effizienz der PVDF-TrFE-CFE/ArPTU-Verbundfilme mit unterschiedlichen ArPTU-Verhältnissen. Die angelegte Feldstärke des PVDF-TrFE-CFE-Films stieg von 500 auf 2000 KV/cm und die Ladungs-Entladungs-Effizienz nahm von 77 auf 58% ab, hauptsächlich aufgrund des ferroelektrischen Hystereseverlustes unter einem hohen elektrischen Feld. Die Lade-Entlade-Effizienz von Verbundfolien mit unterschiedlichen ArPTU-Verhältnissen ist deutlich höher als die der PVDF-TrFE-CFE-Folie. Der PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10)-Film behält 72 % Lade-Entlade-Wirkungsgrad bei einem elektrischen Feld von 2000 KV/cm bei. Bei 2000 KV/cm zeigt der Verbund eine hohe Energiedichte mit 5,31 J/cm ³ , die für den praktischen Gebrauch viel höher ist als BOPP-Folien. Die Zugabe von ArPTU verändert die Molekularstruktur von PVDF-TrFE-CFE und verhindert, dass PVDF-TrFE-CFE vorzeitig die Polarisationssättigung erreicht. Es wurde auch festgestellt, dass das richtige Zugabeverhältnis von ArPTU einen deutlichen Einfluss auf die Lade-Entlade-Effizienz von Verbundfilmen zeigt. Das Verbundmaterial mit einem Verhältnis von 85/15 hat aufgrund des hohen ArPTU-Gehalts, der aus dem Delaminationsphänomen zweier Polymere resultieren kann, eine relativ niedrige Lade-Entlade-Effizienz.

Lade-Entlade-Wirkungsgrad von PVDF-TrFE-CFE/ArPTU-Verbundfolien mit unterschiedlichen Verbundverhältnissen

Die Energiedichte von PVDF-TrFE-CFE/ArPTU-Verbundfolien mit unterschiedlichen Verbundverhältnissen ist in Abb. 10a dargestellt. Die Verbesserung der Speicherdichte der Verbundfilme im Vergleich zum ArPTU-Film besteht aus dem Ergebnis der Dielektrizitätskonstantenleistung der Verbundfilme. Es ist ersichtlich, dass die PVDF-TrFE-CFE/ArPTU-Verbundfilme im Vergleich zum reinen ArPTU-Film eine höhere Energiedichte bei demselben elektrischen Feld aufgrund der erhöhten Dielektrizitätskonstante aufweisen. Die maximale Energiedichte der PVDF-TrFE-CFE-Folie in PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10)-Verbundfolie hat eine Speicherdichte von 22,06 J/cm ³ bei 4076 KV/cm. Im Vergleich zu PVDF-TrFE-CTFE/ArPTU-Verbundfolien (19,2 J/cm ³ ) [37] zeigt der Film in unserer Arbeit eine höhere Energiespeicherdichte. Obwohl die Filme in unserer Arbeit eine etwas niedrigere Durchbruchspannung aufweisen, sorgt eine höhere Dielektrizitätskonstante für eine große Verbesserung der Energiespeicherdichte. Daher sollte beim Konstruieren von Verbundfolien mit hoher Energiedichte ein Kompromiss zwischen Durchschlagsfestigkeit und Dielektrizitätskonstante berücksichtigt werden. Darüber hinaus zeigt unsere Arbeit unter Berücksichtigung der Entladungsenergiedichte auch eine hohe Wettbewerbsfähigkeit mit der höchsten Entladungsenergiedichte, die in Abb. 10b dargestellt ist. Im Vergleich zu den organisch-anorganischen Verbundfilmen können die organischen Verbundfilme die Energiespeicherdichte und den Wirkungsgrad des Films effizienter verbessern und sind in praktischen Anwendungen für die Herstellung von Roll-to-Maut-Geräten durchführbar [41, 42]. Alles in allem können durch die richtige Steuerung des Molekulargewichts und des Zugabeverhältnisses von ArPTU leistungsstarke organische Dielektrika auf Basis von PVDF-TrFE-CFE/ArPTU mit hoher Energiedichte, hoher Durchschlagsfeldstärke, geringem dielektrischen Verlust und höherer Lade-Entlade-Wirkung konstruiert werden. Diese Hochleistungspolymerfolie hat sich als vielversprechende dielektrische Materialien für Folienkondensatoranwendungen mit hoher Leistungsdichte erwiesen.

a Die Energiedichte von PVDF-TrFE-CFE/ArPTU-Verbundfolien mit unterschiedlichen Verbundverhältnissen. b Vergleich der Entladungsenergiedichte unserer Arbeiten mit berichteten Arbeiten [39, 40]