聚合物納米復(fù)合材料作為儲能設(shè)備和柔性電子產(chǎn)品的電介質(zhì)具有巨大潛力。納米填料的結(jié)構(gòu)體系有望在控制納米復(fù)合材料的電擊穿和介電性能的基本機(jī)制中發(fā)揮關(guān)鍵作用。然而，納米填料的結(jié)構(gòu)和維數(shù)對這些性能的影響迄今為止尚未得到徹底研究。本研究探討了聚合物納米復(fù)合材料中納米填料維數(shù)與介電性能之間的關(guān)鍵關(guān)系。我們通過分別加入一系列碳基納米填料來制備聚偏氟乙烯 (PVDF) 納米復(fù)合材料，包括零維 (0D) 炭黑 (CB)、一維 (1D) 多壁碳納米管 (MWCNT)、1D 單壁碳納米管 (SWCNT)、二維 (2D) 還原氧化石墨烯 (rGO) 和三維 (3D) 石墨。在相同的納米填料濃度下，納米復(fù)合材料的頻率相關(guān)（1 kHz 至 1 MHz）介電常數(shù) (k) 呈現(xiàn)出層次順序，其中 MWCNT 顯示出最高介電常數(shù) (∼400%)，其次是 rGO（∼360%）、CB（∼290%）、SWCNT（∼230%）和石墨（∼70%）。溫度相關(guān)（50–150 °C）介電譜表明，由于偶極子運(yùn)動增強(qiáng)，k 隨溫度升高而升高。然而，它們的介電擊穿強(qiáng)度和能量密度與 k 無關(guān)，并呈現(xiàn)出以下順序：SWCNT > MWCNT > CB > rGO > 石墨。由于電擊穿取決于納米復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度，我們將機(jī)械性能與納米填料維數(shù)相關(guān)聯(lián)，楊氏模量遵循 1D ≈ 2D > 0D > 3D 順序。這些發(fā)現(xiàn)將為設(shè)計(jì)下一代柔性電子和電容式儲能設(shè)備中可調(diào)、有利的納米填料基納米復(fù)合材料提供基礎(chǔ)見解。
圖 1. （a）使用（i）0D（炭黑，CB）、（ii）1D（多壁碳納米管（MWCNT）和單壁碳納米管（SWCNT））、（iii）2D（還原氧化石墨烯（rGO））和（iv）3D（石墨）納米填料與 PVDF（聚偏氟乙烯）聚合物基質(zhì)制成的納米復(fù)合薄膜的示意圖。 （b）通過刮刀技術(shù)制成的厚度約為 100 μm 的 PVDF-2 wt% CB、PVDF-2 wt% SWCNT、PVDF-2 wt% MWCNT、PVDF-2 wt% rGO、PVDF-2 wt% 石墨薄膜的圖像。
圖 2. (a) 炭黑 (CB)、(c) 多壁碳納米管 (MWCNT)、(e) 單壁碳納米管 (SWCNT) 和 (g) 還原氧化石墨烯 (rGO) 的 AFM 高度圖像；(i) 石墨的光學(xué)顯微鏡圖像。(b) CB、(d) MWCNT、(f) SWCNT、(h) rGO 和 (j) 石墨的 XPS 高分辨率 C 1s 光譜。(k) 石墨、rGO、MWCNT、SWCNT 和 CB 在波長為 1000–2800 cm–1 時的拉曼光譜。
圖3. （a）應(yīng)力-應(yīng)變曲線、（b）極限拉伸強(qiáng)度、（c）楊氏模量和（d）厚度約為 100 μm 的 PVDF-無填料、PVDF-2 wt% CB、PVDF-2 wt% MWCNT、PVDF-2 wt% SWCNT、PVDF-2 wt% rGO 和 PVDF-2 wt% 石墨膜的 ATR-FTIR 光譜。 （e）通過在液氮下壓裂薄膜，產(chǎn)生了（i）無填料的 PVDF、（ii）PVDF-2 wt% CB、（iii）PVDF-2 wt% MWCNT、（iv）PVDF-2 wt% SWCNT、（v）PVDF-2 wt% rGO 和（vi）PVDF-2 wt% 石墨膜的橫截面 SEM 圖像（箭頭表示微裂紋擴(kuò)展的方向）。
圖 4. (a) PVDF-無填料、(c) PVDF-2 wt% CB、(e) PVDF-2 wt% rGO、(g) PVDF-2 wt% 石墨、(i) PVDF-2 wt% MWCNT 和 (k) PVDF-2 wt% SWCNT 薄膜的頻率相關(guān) (1 kHz 至 1 MHz) 介電常數(shù)。(b) PVDF-無填料、(d) PVDF-2 wt% CB、(f) PVDF-2 wt% rGO、(h) PVDF-2 wt% 石墨、(j) PVDF-2 wt% MWCNT（插圖顯示高溫光譜部分）、(l) PVDF-2 wt% SWCNT 薄膜在 −50 °C 至 150 °C 溫度下的頻率相關(guān) (1 kHz 至 1 MHz) 損耗角正切（原位）。
圖 5. （a）PVDF-2 wt % CB、PVDF-2 wt % MWCNT、PVDF-2 wt % SWCNT、PVDF-2 wt % rGO 和 PVDF-2 wt % 石墨膜的介電擊穿強(qiáng)度和介電常數(shù)（在 10 kHz 時）和（b）PVDF-2 wt % CB、PVDF-2 wt % MWCNT、PVDF-2 wt % SWCNT、PVDF-2 wt % rGO 和 PVDF-2 wt % 石墨膜在 10 kHz 時的最大能量密度。
相關(guān)科研成果由休斯頓大學(xué)Alamgir Karim等人于2024年發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces（https://doi.org/10.1021/acsami.4c16329）上。原文：Tuning Dielectric Properties with Nanofiller Dimensionality in Polymer Nanocomposites
摘自《石墨烯研究》公眾號
