(濟南大學山東省建筑材料制備與測試技術(shù)重點實驗室，山東濟南，250022)

隨著電子系統(tǒng)的迅速發(fā)展，介電電容器、電化學超級電容器和燃料電池等能源設備發(fā)揮著越來越重要的作用[1-3]，其中，介電電容器由于具有質(zhì)量輕、易于攜帶、柔韌性好和易于加工等特點被廣泛應用于能量存儲領域。儲能密度作為衡量介電電容器的重要參數(shù)，可以通過以下公式確定：Ued=∫EdD，其中E和D分別為施加的外電場和電位移[4]。可以清楚地看到，介電電容器只有同時具備高的擊穿電場與大的電位移，才可以獲得高的儲能密度。傳統(tǒng)介電電容器材料為聚合物材料和無機陶瓷材料。聚合物材料具有較高的電場擊穿強度，但介電常數(shù)相對較低，比如廣泛使用的聚丙烯(BOPP)，其擊穿強度高達700 kV/mm，而1 kHz下的介電常數(shù)僅為2。常用的無機陶瓷材料盡管具有高介電常數(shù)，但是擊穿場強低。因此，研究人員將聚合物與陶瓷顆粒結(jié)合起來以克服它們各自的缺點，制備高性能介電電容器。鈦酸鋇(BaTiO3，BT)[5-6]、鈮酸鉛鎂-鈦酸鉛(PMN-PT)[7-9]、鈦酸鍶鋇(Ba/SrTiO3，BST)[10]和鋯鈦酸鉛(PZT)[11]等因具有高的介電常數(shù)而被用作介電填料添加到聚合物中以提高介電復合材料的性能。但高介電常數(shù)陶瓷顆粒的添加也帶來了一些不可避免的問題，如填料在聚合物基體中分散不均導致薄膜內(nèi)部產(chǎn)生更多的缺陷，聚合物基體與陶瓷填料之間巨大的介電常數(shù)差異導致陶瓷與聚合物之間的匹配度大大降低等。這些問題都導致復合薄膜的擊穿強度降低以及介電損耗的升高，并最終體現(xiàn)為削弱復合薄膜的儲能性能[12]。為了有效解決上述問題的影響，一方面，研究人員致力于將陶瓷顆粒表面進行包覆形成核-殼結(jié)構(gòu)[13-14]。這種結(jié)構(gòu)不僅克服了陶瓷顆粒在聚合物中的團聚問題，而且在降低介電損耗方面也呈現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。多巴胺(dopa)作為改性劑可以有效降低陶瓷顆粒的表面能，使得填料均勻地嵌入聚合物中，從而產(chǎn)生良好的分散性與相容性[15]。XIE 等[16]發(fā)現(xiàn)多巴胺(dopa)修飾的BT/P(VDF-CTFE)復合薄膜的儲能密度為8.4 J/cm3，比純P(VDF-CTFE)薄膜的能量密度高55%。LI 等[17]制備了BNT@dopa/PVDF復合薄膜，與BNT/PVDF復合膜相比，儲能密度和擊穿強度分別增加了3.93 J/cm3和40 kV/mm。另一方面，在高介電的陶瓷顆粒與低介電聚合物之間添加介于兩者之間的材料，使得聚合物基體與陶瓷填料之間的介電常數(shù)巨大差異縮小，從而減弱兩者之間的介電不匹配問題，避免薄膜內(nèi)部電子聚集，減少復合薄膜的局部電場畸變，有效地提高薄膜的介電與儲能性能[18]。PAN 等[19]制備了SrTiO3@Al2O3顆粒并與PVDF 復合，形成的SrTiO3@Al2O3/PVDF 薄膜的儲能密度高達12.73 J/cm3，這歸因于在SrTiO3和PVDF 之間摻入的具有適度介電常數(shù)的Al2O3減少了填料/聚合物基體之間介電常數(shù)的失配。SU等[20]制備了片狀TiO2包覆的BaTiO3/PVDF 復合薄膜，在填料為2.5%(體積分數(shù))時，復合薄膜儲能密度達到了17.6 J/cm3。這是由于TiO2在BT顆粒與聚合物基體之間作為緩沖物質(zhì)使得復合材料中的非均勻電場最小化，降低了能量損耗，提升了儲能密度。PMN-PT 介電常數(shù)大于2 500，由其添加至PVDF 中形成的復合材料雖然具有較高的介電常數(shù)，但兩者之間介電常數(shù)的巨大差異也帶來了一些界面問題。BT顆粒介電常數(shù)大于1 000，其介電常數(shù)處于PMN-PT與PVDF之間，在上述復合材料中加入BT 顆?？梢孕纬山殡姵?shù)的過渡，減弱PVDF基體和PMN-PT顆粒因介電常數(shù)差異巨大導致的不匹配問題。本文作者通過熔鹽法制備了PMN-PT 顆粒，并利用多巴胺對PMN-PT 顆粒和BT 顆粒表面進行改性合成核-殼結(jié)構(gòu)的BT@dopa和PMN-PT@dopa 顆粒，將2 種顆粒作為雙組分填料共同引入PVDF基體中制得了PVDF基介電復合薄膜，研究BT@dopa+PMN-PT@dopa/PVDF 復合薄膜的介電性能和儲能性能，并通過表征單組分BT@dopa/PVDF 復合薄膜和PMN-PT@dopa/PVDF復合薄膜的介電性能和儲能性能，證實雙組分復合薄膜的性能優(yōu)勢。

1 實驗材料與方法

1.1 BT@dopa和PMN-PT@dopa顆粒的制備

實驗原料為聚偏氟乙烯(PVDF，中國上海3F新材料有限公司)、二甲基甲酰胺(DMF，中國阿拉丁)、BaTiO3顆粒(BT，北京DK Nano Technology Co.Ltd.)。

熔鹽法制備PMN-PT顆粒的過程如下：分別稱取一定質(zhì)量的氧化鉛、五水堿式鈦酸鎂、五氧化二鈮、二氧化鈦和氯化鉀，加入乙醇和磨球，球磨12 h，其中，原料、乙醇、磨球質(zhì)量比為1:1:1.5；磨料完成后，將其在850°C下燒結(jié)1 h，然后加入去離子水于80°C保溫24 h，隨后進行抽濾，最終破碎過篩得到所需PMN-PT粉末。

將一定質(zhì)量的BT 顆?；騊MN-PT 顆粒添加至過氧化氫中進行超聲分散，隨后在106 ℃下回流并持續(xù)攪拌6 h，待冷卻至室溫后，用去離子水將溶液洗滌至中性，在真空冷凍下干燥，最后將處理過的BT 顆粒或PMN-PT 顆粒加入到鹽酸多巴胺水溶液中，在60 ℃下攪拌24 h，最終得到BT@dopa或PMN-PT@dopa顆粒。

1.2 復合薄膜的制備

將BT@dopa 或PMN-PT@dopa 顆粒添加至DMF中進行超聲分散，然后緩慢加入PVDF粉末，并在60 ℃下連續(xù)攪拌12 h 獲得均勻的懸浮液；采用流延法將懸浮液在玻璃基板上利用刮刀形成一定厚度的復合薄膜并在真空下于60 ℃干燥；最后在180 ℃下對復合薄膜施加一定壓力后淬冷，烘干去除殘留水分后獲得復合薄膜。所得復合薄膜的厚度約為12 μm。其中，雙組分BT@dopa+PMNPT@dopa/PVDF 復合薄膜中填料的體積分數(shù)分別為3%，5%，7%，10%和12%，2種顆粒的體積比均為1:1。

1.3 材料表征

利用掃描電子顯微鏡(SEM，JSM-7610F，日本)和透射電子顯微鏡(TEM，JEM-2100F，日本)分別表征復合薄膜的顯微結(jié)構(gòu)以及BT@dopa 和PMN-PT@dopa 顆粒的形貌。利用FT-IR 光譜儀(FT-IR，Thermo electronic Nicolet 380，美國)和熱重分析儀(METTLER TGA)表征多巴胺包覆前后BT 和PMN-PT 顆粒的傅里葉變換紅外光譜及熱重曲線。利用精密阻抗分析儀(E4990A，Keysight Technology Co.，美國)測試室溫下復合薄膜的介電頻譜和電導率-頻率曲線。采用耐壓測試系統(tǒng)(中國深圳美瑞科電子科技有限公司)測試復合薄膜的擊穿強度。利用鐵電測試系統(tǒng)(Premier II，Radant Technologies Inc.，美國)分析測試復合薄膜儲能性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料結(jié)構(gòu)與形貌

圖1所示為PMN-PT顆粒、BT顆粒及PVDF粉末的XRD 圖。從圖1可見，PMN-PT 顆粒在22°，31°，39°，45°，、51°和56°處的強吸收峰，與(100)，(110)，(111)，(200)，(210)和(211)晶面完全匹配，證明合成的PMN-PT 顆粒為四方相結(jié)構(gòu)[21]；BT 顆粒在2θ為22°，31°，38°，45°，50°和55°分別對應于(100)，(110)，(111)，(200)，(210)和(211)晶面，為立方相結(jié)構(gòu)[22]；PVDF 粉末的峰出現(xiàn)在18.4°和26°處，分別對應(020)和(120)處α相的取向結(jié)晶；出現(xiàn)在20.6°處的峰對應于(200)處β 相的取向結(jié)晶[23-24]。

圖1 PMN-PT顆粒、BT顆粒和PVDF粉末的XRD圖Fig.1 XRD pattern of PMN-PT,BT and PVDF

圖2(a)和2(b)所示為PMN-PT 和BT 顆粒的形貌及粒徑分布圖。從圖2(a)和2(b)可以看出，PMN-PT 顆粒呈規(guī)則的立方體形狀，BT 顆粒呈球形狀；利用Nano Measurer 分析兩者平均粒徑，其中PMN-PT顆粒平均粒徑Dm約為595 nm，BT顆粒的平均粒徑Dm約為229 nm。圖2(c)和2(d)所示為BT 和PMN-PT 顆粒經(jīng)多巴胺包覆后的形貌。從圖2(c)和2(d)可以清晰地看到：多巴胺包覆后的BT和PMN-PT顆粒具有明顯的核殼結(jié)構(gòu)，多巴胺殼層在2 種顆粒表面的厚度比較均勻，BT 和PMN-PT 顆粒表面的多巴胺殼層厚度分別約為10 nm和8 nm。

圖3所示為多巴胺包覆前后BT 和PMN-PT 顆粒的紅外光譜圖和熱重曲線。從圖3(a)和(b)可以看出，BT@dopa 和PMN-PT@dopa 顆粒在1 488 cm-1和1 267 cm-1處均出現(xiàn)了2 個新的吸收峰，分別對應于芳族化合物中的C-C鍵拉伸振動和芳族胺中的C-N 鍵拉伸振動[25]；另外，在PMN-PT@dopa 中1 616 cm-1處的吸收峰源自多巴胺中N—H 基團的彎曲振動[26]。這些結(jié)果進一步證明多巴胺存在于包覆后的BT 和PMN-PT 顆粒中。從圖3(c)和(d)可以看出：包覆后的BT 顆粒在800 ℃下的殘留質(zhì)量分數(shù)為94.35%。與純BT 相比，BT@dopa 的質(zhì)量分數(shù)降低了1.91%；與BT類似，PMN-PT@dopa的質(zhì)量分數(shù)相對未包覆的PMN-PT減少了1.97%。包覆后的BT 和PMN-PT 陶瓷顆粒所產(chǎn)生的質(zhì)量損失源于多巴胺包覆層在高溫下分解。以上結(jié)果進一步表明多巴胺成功包覆在BT和PMN-PT顆粒表面。

圖2 PMN-PT和BT顆粒形貌和尺寸分布及BT@dopa和PMN-PT@dopa的TEM照片F(xiàn)ig.2 Particle morphology and size distribution map of PMN-PT BT and TEM images of BT@dopa PMN-PT@dopa

圖4所示為具有不同BT@dopa 和PMNPT@dopa 顆粒含量的復合薄膜的斷面形貌和能譜分布。從圖4可以看出，BT@dopa 和PMNPT@dopa 顆粒均勻分散在PVDF 基體中；隨著填料體積分數(shù)從3%增加到12%，薄膜中并未出現(xiàn)明顯的顆粒團聚及孔洞等缺陷。這是由于多巴胺殼層降低了BT 和PMN-PT 顆粒的表面能并且多巴胺中的羥基和胺基能夠與聚合基體中的氟原子產(chǎn)生強的偶極子-偶極子作用力，容易形成氫鍵(—F···OH—和—F···NH2—)，有效提高了BT 和PMN-PT顆粒在PVDF基體中的相容性和分散性[27]。

圖3 多巴胺包覆前后BT和PMN-PT顆粒的紅外光譜和熱重曲線Fig.3 FTIR and TGA of pristine and dopamine modified BT and PMN-PT particles

2.2 復合薄膜的介電性能

圖5所示為純PVDF 和不同BT@dopa，PMNPT@dopa 體積分數(shù)的復合薄膜的介電頻譜圖。從圖5(a)可以看出：與純PVDF薄膜相比，復合薄膜的介電常數(shù)隨填料體積分數(shù)的增加而增大；當填料體積分數(shù)為12%時，在100 Hz 下復合薄膜的介電常數(shù)達到最大值為20.5，約為純PVDF 薄膜的2.28 倍。這主要是由于：1)陶瓷填料本身具有高的介電常數(shù)；2)陶瓷填料與基體之間產(chǎn)生明顯的界面極化；3)BT顆粒降低了雙組份復合薄膜中基體與填料之間巨大的介電常數(shù)差異[19]。隨著頻率的增大，復合薄膜的介電常數(shù)呈現(xiàn)緩慢的下降趨勢，當頻率大于100 kHz 時，下降趨勢變得更為明顯。對高含量的BT@dopa 和PMN-PT@dopa 顆粒形成的復合薄膜而言，介電常數(shù)隨頻率增大而降低的趨勢更為明顯。這可以歸因于極化馳豫的作用，高頻下偶極子的轉(zhuǎn)向滯后于頻率的轉(zhuǎn)變，導致介電常數(shù)減小[28]。

從圖5(b)可以看出：當頻率增大至100 kHz時，復合薄膜的介電損耗基本保持穩(wěn)定，隨后急劇增大。低頻下由于Maxwell-Wagner-Sillars(MWS)界面極化[29]，介電損耗處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，所有復合薄膜的介電損耗均小于0.05；而高頻下PVDF鏈中的分子偶極子運動的加劇則使得介電損耗則急劇增大[30]。此外，隨著復合薄膜中填料體積分數(shù)的增加，聚合物的相對含量減少，導致其介電損耗逐漸降低。圖5(c)所示為填料體積分數(shù)為10%時的單組分BT@dopa/PVDF，PMN-PT@dopa/PVDF 復合薄膜和雙組分BT@dopa+PMNPT@dopa/PVDF 復合薄膜的介電頻譜。相比于單組分的BT@dopa/PVDF和PMN-PT@dopa/PVDF復合薄膜，雙組分的BT@dopa+PMN-PT@dopa/PVDF復合薄膜表現(xiàn)出更為優(yōu)異的介電常數(shù)。當頻率為100 Hz時，雙組分BT@dopa+PMN-PT@dopa/PVDF 復合薄膜的介電常數(shù)為17.9，是BT@dopa/PVDF 復合薄膜的1.77 倍。在雙組分復合薄膜中，BT 顆粒的介電常數(shù)介于PMN-PT 顆粒和PVDF 兩者之間，減弱了PVDF基體和PMN-PT顆粒因介電常數(shù)差異巨大引起的薄膜內(nèi)電子聚集。

圖4 BT@dopa+PMN-PT@dopa/PVDF復合薄膜的斷面形貌和能譜分布圖Fig.4 Cross-section SEM morphologies image and mapping of films

圖5 PVDF和BT@dopa+PMN-PT@dopa/PVDF復合薄膜的介電常數(shù)、介電損耗以及10%填料的薄膜的介電常數(shù)Fig.5 Dielectric constant and dielectric loss of neat PVDF and BT@dopa+PMN-PT@dopa/PVDF films and dielectric constant of films with 10%fillers

2.3 復合薄膜的儲能性能

擊穿強度作為衡量介電電容器的重要參數(shù)，對提高儲能性能起著至關(guān)重要的作用。Weibull 回歸分析是復合薄膜擊穿強度可靠性的一種表征方式。通過測試薄膜表面不同點的擊穿強度，對實驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析，進而綜合評估擊穿強度[31]：

其中：E和Eb分別為在累積失效概率為63.2%時的實驗擊穿強度和特征擊穿強度；β為威布爾形狀參數(shù)，表征薄膜的擊穿強度分布。

圖6(a)所示為不同體積分數(shù)下復合薄膜的擊穿強度。由圖6(a)可知，復合薄膜的擊穿強度隨填料體積分數(shù)的增大而降低，這是由于填料體積分數(shù)的增加導致薄膜內(nèi)部缺陷逐漸增多，同時顆粒之間間距逐漸減小，薄膜內(nèi)部的導電路徑逐漸增多。分析威布爾形狀參數(shù)β可知，本實驗制得的復合薄膜均具有的高β值(大于17)，表明薄膜具有優(yōu)異的絕緣性能和良好的穩(wěn)定性。當BT@dopa 和PMNPT@dopa顆粒體積分數(shù)為3%時，復合薄膜的Eb為340.1 kV/mm，β為19.11。

圖6 BT@dopa+PMN-PT@dopa/PVDF復合薄膜的Weibull回歸分析圖、漏電流密度和電導率Fig.6 Weibull plots,leakage current density and conductivities of BT@dopa+PMN-PT@dopa/PVDF films

圖6(b)和(c)所示分別為不同填料體積分數(shù)的雙組份復合薄膜的漏電流密度和電導率。從圖6(b)和(c)可見：隨著BT@dopa 和PMN-PT@dopa 體積分數(shù)增加，復合薄膜內(nèi)部缺陷逐漸增多，復合薄膜的漏電流密度和電導率均呈現(xiàn)上升趨勢。這規(guī)律與擊穿強度變化規(guī)律一致。對復合薄膜而言，漏電流密度和電導率均保持了較低的數(shù)值，在電場強度為100 kV/mm 時，最大漏電流密度為5.84×10-7A/cm2，在頻率為1 kHz 時，電導率為3.47×10-5s/m。其原因主要是，一方面，多巴胺殼層降低了基體和陶瓷顆粒之間的表面能，提高了陶瓷填料在PVDF中的分散性，并提高了陶瓷與聚合物之間的相容性；另一方面，BT 顆粒在PMN-PT 顆粒與PVDF基體之間形成的介電常數(shù)有效降低了薄膜內(nèi)部的電子聚集。

圖7 BT@dopa+PMN-PT@dopa/PVDF薄膜在200 kV/mm下的P-E曲線、儲能密度、放電效率以及最大擊穿強度下的儲能密度和放電效率Fig.7 P-E hysteresis loops at 200 kV/mm,discharged energy density,efficiency,discharged energy density and efficiency under maximum breakdown strength of BT@dopa+PMNPT@dopa/PVDF films

圖7(a)所示為不同填料體積分數(shù)的復合薄膜在測試頻率為100 Hz，電場強度為200 kV/mm 時電位移-電場(P-E)曲線?？梢姡S著BT@dopa 和PMN-PT@dopa顆粒體積分數(shù)的增大，復合薄膜的最大電位移由3.95 μC/cm2增加到7.75 μC/cm2，與此同時，P-E曲線的形狀表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。依據(jù)P-E曲線計算得到的復合薄膜的儲能密度和放電效率見圖7(b)，(c)和(d)。從圖7(b)，(c)和(d)可見，當BT@dopa 和PMN-PT@dopa 填料體積分數(shù)為3%時，復合薄膜具有最大的儲能密度，在電場強度為350 kV/mm 時，達到10.01 J/cm3。另外，放電效率與施加的電場密切相關(guān)，復合薄膜的放電效率均隨著電場的增加而明顯降低；同時，隨著填料體積分數(shù)的增加，放電效率也呈現(xiàn)了明顯的下降趨勢。這種現(xiàn)象是由于隨著3%BT@dopa和PMN-PT@dopa體積分數(shù)的增加，引發(fā)了復合薄膜的結(jié)構(gòu)缺陷和導電損耗增多以及界面處的鐵電遲滯損耗增加[32]。與其他組分復合薄膜相比，3%的BT@dopa+PMN-PT@dopa/PVDF 復合薄膜在相同電場下放電效率最高。當外加電場電場強度為50 kV/mm 時，3%BT@dopa+PMN-PT@dopa/PVDF復合薄膜的儲能效率為98.5%，當外加電場電場強度增加至350 kV/mm 時，放電效率仍保持在50.5%。

圖8所示為填料體積分數(shù)為10%的單組分BT@dopa/PVDF，PMN-PT@dopa/PVDF 復合薄膜和雙組分BT@dopa+PMN-PT@dopa/PVDF 復合薄膜在電場強度為240 kV/mm 時的儲能密度和放電效率。與雙組分BT@dopa+PMN-PT@dopa/PVDF復合薄膜相比，PMN-PT@dopa/PVDF 復合薄膜的儲能密度降低了約0.57 J/cm3，放電效率減少了5%；BT@dopa/PVDF 復合薄膜的儲能密度下降了約0.8 J/cm3，放電效率減少了7%。

圖8 10%填料的復合薄膜的儲能密度和放電效率Fig.8 Dischaged energy density and efficiency of films with 10%fillers content

3 結(jié)論

1)多巴胺作為BT 和PMN-PT 顆粒的表面改性劑，大大提高了PVDF基體中陶瓷顆粒的分散性和相容性。采用流延法制備了不同體積分數(shù)的BT@dopa+PMN-PT@dopa/PVDF 雙組分復合薄膜。10% BT@dopa+PMN-PT@dopa/PVDF 雙組分復合薄膜相對BT@dopa/PVDF 和PMN-PT@dopa 復合薄膜的儲能密度分別提高了0.8 J/cm3和0.57 J/cm3，放電效率提升了7%和5%。當BT@dopa 和PMNPT@dopa體積分數(shù)為3%時，雙組分復合薄膜的擊穿場強達到350 kV/mm，此時，其儲能密度達到10.01 J/cm3，放電效率為50.5%。

2)多巴胺對顆粒的分散性和相容性的提高機理為：BT 作為介電常數(shù)介于PMN-PT 與PVDF 之間的陶瓷顆粒，減少了填料/聚合物基體的介電常數(shù)失配，減輕了局部電場畸變，從而降低了能量損失；多巴胺殼層增強了陶瓷顆粒與PVDF基體之間的黏附作用力，增強了兩者之間的相容性；多巴胺殼層顯著減少了PVDF 基體中填料團聚現(xiàn)象，提高了陶瓷顆粒的分散性。