芳腈基聚合物的微结构控制与耐高温介质材料研究.ppt

1,刘孝波教授博导电子科技大学耐高温高分子及复合材料四川省重点实验室,芳腈基聚合物的微结构控制与耐高温介质材料研究,2,个人简介及研究团队,先进功能高分子材料的分子设计与合成高分子纳米杂化材料的形态与功能特性刚性棒状聚合物及复合材料的界面特性与流变行为大分子科学与工程研究团队先后承担国家863及自然科学基金项目20余项，已发表SCI论文220余篇，获得中国发明专利30余项，出版聚芳醚腈学术专著一部，现有博士生8人，硕士生22人,1995年至1998年，四川大学高分子材料系，副教授1997年，中国科学院首批“百人计划”获得者1998年至2005年，中科院成都有机化学研究所，研究员2005年至今，电子科技大学，教授四川省有突出贡献优秀专家、国务院政府特殊津贴获得者,目录,3,4,1.芳腈基聚合物介电材料,RoomtemperaturepyroelectricpropertiesofP(VDF-TrFE)copolymers,聚合物微结构对介电常数的影响,SchematicillustrationofthetwomostcommoncrystallinechainconformationsinPVDF(a)tg+tgconformationand(b)all-transconformation.,聚合物的介电常数与其链节组成，微观构象密切相关。,Ref.JournalofMaterialsChemistryC,2013,1(1):23-37.,5,1.芳腈基聚合物介电材料,聚合物微结构对介电常数的影响,Ref.JournalofMaterialsScience,1999,34(18):4489-4500.,聚合物晶体种类及晶体微观形貌对材料介电性能有重要影响,1.芳腈基聚合物介电材料,不同结构聚芳醚腈介电材料合成及基本性能,6,MicrostructureofdifferentPEN,ThethermalstabilityandmechanicalpropertiesofdifferenttypeofPEN,1.芳腈基聚合物介电材料,聚合物的介电常数决定于其化学结构,7,ThefrequencydependenceofdielectricpropertiesofdifferentstructuredPEN,ThedielectricconstantofdifferentstructuredPENat1kHz,8,聚合物的介电常数决定于其化学结构,1.芳腈基聚合物介电材料,ThetemperaturedependenceofdielectricpropertiesofdifferentstructuredPEN,ThedielectricconstantofdifferentstructuredPENat1kHz,1.芳腈基聚合物介电材料,聚合物的介电常数与结晶度有关,9,Schematicdiagramtofabricatemonoaxialhot-stretchingPENcompositefilms.,SEMimagesandpolarizingmicroscopeimagesofmonoaxialhot-stretchingPENcompositefilms.,10,聚合物的介电常数与结晶度的关系,1.芳腈基聚合物介电材料,同拉伸温度，不同倍率,(a)DSCcurves(b)XRDpatterns(c)and(d)dielectricpropertyasfunctionoffrequencyofPENfilmswithdifferentstrength,Crystallinityofhot-stretchingBP-PENfilmswithdifferentstretchratioat280calculatedfromX-raydiffraction,(a),(b),(c),(d),11,1.芳腈基聚合物介电材料,聚合物的介电常数与结晶度的关系,同拉伸倍率，不同拉伸温度,(a)DSCcurves(b)XRDpatterns(c)and(d)dielectricpropertyasfunctionoffrequencyofPENfilmswithdifferentstrength,Crystallinityofhot-stretchingBP-PENfilmswithdifferentstretchtemperaturecalculatedfromX-raydiffraction,(a),(b),(c),(d),12,2.交联型聚芳醚腈高温介电材料,聚合物介电性能及储能特性与温度的关系,Ref.AppliedPhysicsLetters,2009,95(2):022902.,(a)(b)Dielectricpropertyasfunctionoffrequencyandtemperature;(c)(d)thedischargedEnergydensityandcharge-dischargeefficiencyofPEKK.,(a),(b),(c),(d),13,2.交联型聚芳醚腈高温介电材料,交联聚合物介电性能的研究,Ref.Nature,2015,523(7562):576-579.,Theschematicofpreparationofc-BCBandpictureofc-BCBfilm,Temperaturedependenceofdielectricpropertyofc-BCBandotherdielectricfilms,2.交联型聚芳醚腈高温介电材料,交联聚芳醚腈介电薄膜的制备及其耐热性,TheschematicofpreparationofcrosslinkedPENdielectricfilm,ThethermalpropertyofcrosslinkedPENdielectricfilmswithdifferentprocesses,2.交联型聚芳醚腈高温介电材料,15,交联聚芳醚腈薄膜的介电-频率特性,Thefrequencydependenceofdielectricpropertyofcrosslinkedfilmsatdifferenttesttemperature,16,2.交联型聚芳醚腈高温介电材料,交联聚芳醚腈薄膜的介电-温度特性,Theschematicfordielectrictestasfunctionoftemperature,(a)(b)thetemperaturedependenciesofdielectricpropertythecrosslinkedPENfilmat10KHz;(c)(d)thedielectricpropertiesofthecrosslinkedPENfilmat300oCandat10KHzfordifferenttimeanddifferentcyclingtime.,17,2.交联型聚芳醚腈高温介电材料,交联聚芳醚腈薄膜的储能特性,Energydensityofcross-linkedfilms(a)(b)TheD-Eloopsat100Hzofcross-linkedfilms.(c)(d)TheenergydensityasafunctionofElectricalField.,3.单一组分复合聚芳醚腈介电材料,通过控制t、m及n的值的到了不同分子量与结晶性的聚芳醚腈。,18,Heat,TheschematicofsynthsizedofcrosslinkablePENandthecrosslinkmechanismofthecrosslinkreaction,19,3.单一组分复合聚芳醚腈介电材料,单一组分复合材料由Capiati等在1975年首次提出。单一组分复合材料是指材料的本体和增强相是由同种聚合物的不同相态组成的一类材料。,虽然这一类材料的组成中其增强相与基体与传统复合材料有着极大的差别，但是其仍然被认为是一种由单一成分组成的复合材料。,Advantages：强界面结合力质轻可循环使用高性价比,20,3.单一组分复合聚芳醚腈介电材料,交联反应与结晶过程同时存在。,晶体被固定,不同温度下聚芳醚腈晶在聚芳醚腈基体中的生长情况:(a)常温;(b)150oC;(c)170oC;(d)200oC;(e)250oC;(f)480oC.,21,聚芳醚腈晶体微观形貌,DSCcurvesandXRDpatternsofthecrystallinePEN-PhsheetandamorphousPENsheet,3.单一组分复合聚芳醚腈介电材料,SEMimagesof(a)crystallinePENsheet;(b)amorphousPENsheet,PolarizingmicroscopeimagesofcrystallinePEN,22,3.单一组分复合聚芳醚腈介电材料,Theplotsofdielectricpropertyversusfrequencyfor(a)and(c)PEN-Phbeforecrosslinked;(b)and(d)crosslinkedPEN-Phsingle-componentcompositefilms.,(e),(f),Theinfluenceofcrystallineandcrosslinkondielectricproperties(e)andbreakdownstrength(f).,单一组分复合材料介电性能,23,Conventional,One-stepmethod,3.单一组分复合聚芳醚腈介电材料,静电纺丝法制备单一组分复合材料,24,4.填充型聚芳醚腈复合介电材料,Designedzero,one,andtwodimensionalfillersforadvancedcomposites.,特殊结构的填料,Ref.AppliedPhysicsLetters,2013,102(10):102903.Ref.JournalofMaterialsChemistryA,2016,4(15):5592-5604.Ref.AccountsofChemicalResearch,2012,45(8):1356-1364.,25,以化学为手段、通过分子设计构建不同形貌、不同形状的高介电填料实现对微结构的控制。,4.填充型聚芳醚腈复合介电材料,26,以化学为手段、通过分子设计构建不同形貌、不同形状的高介电填料实现对微结构的控制。,4.填充型聚芳醚腈复合介电材料,27,4.填充型聚芳醚腈复合介电材料,Lichteneckersmixturelaw,Bruggemanformula,BaTiO3/PEN复合介电薄膜,ThepicturesofPENandBT/PENcompositesfilms,ThedielectricpropertyofPENandBT/PENcompositesfilmsasfunctionofmassfractionofBT,28,4.填充型聚芳醚腈复合介电材料,CPEN-g-BT/PEN复合介电薄膜,TheschematicdiagramofpreparationofCPEN-g-BT,TheTEMimagesofCPEN-g-BT,TGAcurvesofCPEN-g-BT,29,13,4.3,CPEN-g-BT/PEN复合介电薄膜,增长了200%,4.填充型聚芳醚腈复合介电材料,TheSEMimagesofCPEN-g-BT/PENcompositeswith5%and40%CPEN-g-BT,DielectricpropertyofCPEN-g-BT/PENcomposites,30,4.填充聚芳醚腈复合介电材料,刺状TiO2-MWCNTs/PEN复合介电薄膜,TiO2-MWCNTs及TiO2-MWCNTs/PEN复合材料制备,SchematicdiagramofpreparationofTiO2-MWCNTsandTiO2-MWCNTs/PENcomposites,SEMandTEMimagesofMWCNTsandTiO2-MWCNTs,31,刺状TiO2-MWCNTs/PEN复合介电薄膜,4.填充聚芳醚腈复合介电材料,TiO2-MWCNTs/PEN复合薄膜流变特性,(a)Storagemodulus(G),(b)lossmodulus(G),(c)complexviscosity(*)and(d)tan(delta)oftheTiO2-MWCNT/PENcompositefilmsasafunctionfrequency.,SEMimagesoffracturedcross-sectionofTiO2-MWCNT/PENcompositefilmwithdifferentTiO2-MWCNTloading:(a)0wt%;(b)2wt%;(c)8wt%,32,4.填充聚芳醚腈复合介电材料,刺状TiO2-MWCNTs/PEN复合介电薄膜,(a)dielectricconstantand(b)dielectriclossofTiO2-MWCNT/PENcompositesasfunctionoffrequency.(c)Dielectricconstantand(d)electricalconductivityofcompositefilmsasafunctionoffillerloadingsat100Hz.,4.填充聚芳醚腈复合介电材料,33,热拉伸二次分散MWCNTs/