聚合物纳米复合材料作为储能设备和柔性电子产品的电介质具有巨大潜力。纳米填料的结构体系有望在控制纳米复合材料的电击穿和介电性能的基本机制中发挥关键作用。然而，纳米填料的结构和维数对这些性能的影响迄今为止尚未得到彻底研究。本研究探讨了聚合物纳米复合材料中纳米填料维数与介电性能之间的关键关系。我们通过分别加入一系列碳基纳米填料来制备聚偏氟乙烯 (PVDF) 纳米复合材料，包括零维 (0D) 炭黑 (CB)、一维 (1D) 多壁碳纳米管 (MWCNT)、1D 单壁碳纳米管 (SWCNT)、二维 (2D) 还原氧化石墨烯 (rGO) 和三维 (3D) 石墨。在相同的纳米填料浓度下，纳米复合材料的频率相关（1 kHz 至 1 MHz）介电常数 (k) 呈现出层次顺序，其中 MWCNT 显示出最高介电常数 (∼400%)，其次是 rGO（∼360%）、CB（∼290%）、SWCNT（∼230%）和石墨（∼70%）。温度相关（50–150 °C）介电谱表明，由于偶极子运动增强，k 随温度升高而升高。然而，它们的介电击穿强度和能量密度与 k 无关，并呈现出以下顺序：SWCNT > MWCNT > CB > rGO > 石墨。由于电击穿取决于纳米复合材料的机械强度，我们将机械性能与纳米填料维数相关联，杨氏模量遵循 1D ≈ 2D > 0D > 3D 顺序。这些发现将为设计下一代柔性电子和电容式储能设备中可调、有利的纳米填料基纳米复合材料提供基础见解。
 
 
图 1. （a）使用（i）0D（炭黑，CB）、（ii）1D（多壁碳纳米管（MWCNT）和单壁碳纳米管（SWCNT））、（iii）2D（还原氧化石墨烯（rGO））和（iv）3D（石墨）纳米填料与 PVDF（聚偏氟乙烯）聚合物基质制成的纳米复合薄膜的示意图。 （b）通过刮刀技术制成的厚度约为 100 μm 的 PVDF-2 wt% CB、PVDF-2 wt% SWCNT、PVDF-2 wt% MWCNT、PVDF-2 wt% rGO、PVDF-2 wt% 石墨薄膜的图像。
 
 
图 2. (a) 炭黑 (CB)、(c) 多壁碳纳米管 (MWCNT)、(e) 单壁碳纳米管 (SWCNT) 和 (g) 还原氧化石墨烯 (rGO) 的 AFM 高度图像；(i) 石墨的光学显微镜图像。(b) CB、(d) MWCNT、(f) SWCNT、(h) rGO 和 (j) 石墨的 XPS 高分辨率 C 1s 光谱。(k) 石墨、rGO、MWCNT、SWCNT 和 CB 在波长为 1000–2800 cm–1 时的拉曼光谱。



图3. （a）应力-应变曲线、（b）极限拉伸强度、（c）杨氏模量和（d）厚度约为 100 μm 的 PVDF-无填料、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 光谱。 （e）通过在液氮下压裂薄膜，产生了（i）无填料的 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% 石墨膜的横截面 SEM 图像（箭头表示微裂纹扩展的方向）。
 


图 4. (a) PVDF-无填料、(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 薄膜的频率相关 (1 kHz 至 1 MHz) 介电常数。(b) PVDF-无填料、(d) PVDF-2 wt% CB、(f) PVDF-2 wt% rGO、(h) PVDF-2 wt% 石墨、(j) PVDF-2 wt% MWCNT（插图显示高温光谱部分）、(l) PVDF-2 wt% SWCNT 薄膜在 −50 °C 至 150 °C 温度下的频率相关 (1 kHz 至 1 MHz) 损耗角正切（原位）。
 
 
图 5. （a）PVDF-2 wt % CB、PVDF-2 wt % MWCNT、PVDF-2 wt % SWCNT、PVDF-2 wt % rGO 和 PVDF-2 wt % 石墨膜的介电击穿强度和介电常数（在 10 kHz 时）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 时的最大能量密度。
  
       相关科研成果由休斯顿大学Alamgir Karim等人于2024年发表在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》公众号