Полімерні композити з поліпшеними діелектричними властивостями: огляд
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe66.2.166Ключові слова:
полiмернi композити, дiелектрична константа, електрична мiцнiсть дiелектрика, керамiчний наповнювач, накопичення енергiїАнотація
Матерiали з високим значенням дiелектричної константи (k) застосовуються в конденсаторах, як iзолюючий шар у затворах, в дiелектричних еластомерах, акумуляторах енергiї, тодi як матерiали з малим k потрiбнi для електронного монтажу i в багатьох iнших випадках. Традицiйно матерiали з високим значенням k характеризуються значними дiелектричними втратами, залежнiстю властивостей вiд частоти i великим навантаженням на наповнювач. Матерiали з малим k мають низьку теплопровiднiсть. Все це створює новi завдання у розробцi дiелектричних матерiалiв для обох видiв застосування. Використання наповнювачiв з високим значенням дiелектричної константи дає збiльшення сумарної k. Ми вивчаємо вплив рiзних параметрiв i факторiв на дiелектричнi властивостi матерiалiв, а саме: тип полiмеру, матерiал наповнювача, розмiр, форма, рiвень навантаження, модифiкацiя поверхнi матерiалу наповнювача i спосiб приготування полiмерного композита. Роботу спрямовано на полiпшення дiелектричних характеристик полiмерних нанокомпозитiв, якi застосовуються у пристроях для накопичення енергiї. Результати показують, що пiдхiд зi структурованими ядром i оболонкою для матерiалiв з великим k, введеними в полiмерну матрицю, дозволяє покращити дiелектричнi властивостi полiмерних композитiв.
Посилання
M. Arbatti, X. Shan, Z. Cheng. Ceramic-polymer composites with high dielectric constant. Adv Mater. 19 (10), 1369 (2007).
https://doi.org/10.1002/adma.200601996
R. Popielarz, C.K. Chiang, R. Nozaki, J. Obrzut. Dielectric properties of polymer/ferroelectric ceramic composites from 100 Hz to 10 GHz. Macromolecules 34 (17), 5910 (2001).
https://doi.org/10.1021/ma001576b
S.M. Billah. Dielectric polymers, in Functional Polymers. Polymers and Polymeric Composites: A Reference Series. Edited by M. Jafar Mazumder, H. Sheardown, A. Al-Ahmed (Springer, Cham. 2018) [ISBN: 978-3-319-92067-2].
X. Huang, P. Jiang, T. Tanaka. A review of dielectric polymer composites with high thermal conductivity. IEEE Electrical Insulation Magazine 27 (4), 8 (2011).
https://doi.org/10.1109/MEI.2011.5954064
M.T. Sebastian, H. Jantunen. Polymer-ceramic composites of 0-3 connectivity for circuits in electronics: A review. Int. J. Appl. Ceram. Technol. 7 (4), 415 (2010).
https://doi.org/10.1111/j.1744-7402.2009.02482.x
J.Y. Li, L. Zhang, S. Ducharme. Electric energy density of dielectric nanocomposites. Appl. Phys. Lett. 90 (13), 132901 (2007).
https://doi.org/10.1063/1.2716847
F. Liu, Q. Li, J. Cui, Z. Li, G. Yang, Y. Liu, L. Dong, C. Xiong, H. Wang, H.Q. Wang. High-energy-density dielectric polymer nanocomposites with trilayered architecture, Adv. Funct. Mater. 27 (20), 1606292 (2017).
https://doi.org/10.1002/adfm.201606292
B. Chu. A dielectric polymer with high electric energy density and fast discharge speed. Science 313 (5785), 334 (2006).
https://doi.org/10.1126/science.1127798
R. Ratheesh, M.T. Sebastian. Polymer ceramic composites for microwave applications. In: Microwave Materials and Applications. Edited by M.T. Sebastian, H. Jantunen, R. Ubic (Wiley Online Library, 2017), Vol. 2, Chap. 11, p. 481 [ISBN: 9781119208549].
https://doi.org/10.1002/9781119208549.ch11
M.T. Sebastian, L.K. Namitha. Rubber-ceramic composites. In: Microwave Materials and Applications (Wiley Online Library, 2017), Vol. 2, Chap. 12, p. 537 [ISBN: 9781119208549].
https://doi.org/10.1002/9781119208549.ch12
M. Xiao, B.X. Du. Review of high thermal conductivity polymer dielectrics for electrical insulation. High Volt. 1 (1), 34 (2016).
https://doi.org/10.1049/hve.2016.0008
P. Kim, N.M. Doss, J.P. Tillotson, P.J. Hotchkiss, M.J. Pan, S.R. Marder, J. Li, J.P. Calame, J.W. Perry. High energy density nanocomposites based on surface-modified BaTiO3 and a ferroelectric polymer. ACS Nano 3 (9), 2581 (2009).
https://doi.org/10.1021/nn9006412
Q. Li, K. Han, M.R. Gadinski, G. Zhang, Q. Wang. Energy storage: High energy and power density capacitors from solution-processed ternary ferroelectric polymer nanocomposites. Adv. Mater. 26 (36), 6244 (2014).
https://doi.org/10.1002/adma.201402106
W. Xia, Z. Xu, F. Wen, Z. Zhang. Electrical energy density and dielectric properties of poly(vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene)/BaSrTiO3 nanocomposites. Ceram. Int. 38 (2), 1071 (2012).
https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2011.08.033
P. Hu, Y. Shen, Y. Guan, X. Zhang, Y. Lin, Q. Zhang, C.W. Nan. Topological-structure modulated polymer nanocomposites exhibiting highly enhanced dielectric strength and energy density. Adv Funct Mater. 24 (21), 3172 (2014).
https://doi.org/10.1002/adfm.201303684
N. Guo, S.A. DiBenedetto, P. Tewari, M.T. Lanagan, M.A. Ratner, T.J. Marks. Nanoparticle, size, shape, and interfacial effects on leakage current density, permittivity, and breakdown strength of metal oxide-polyolefin nanocomposites: Experiment and theory. Chem. Mater. 22 (4), 1567 (2010).
https://doi.org/10.1021/cm902852h
S. Gupta, I. Offenbach, J.A. Ronzello, Y. Cao, S. Boggs, R.A. Weiss, M. Cakmak. Evaluation of poly(4-methyl-1-pentene) as a dielectric capacitor film for high-temperature energy storage applications. J Polym. Sci. Part B Polym. Phys. 55 (20), 1497 (2017).
https://doi.org/10.1002/polb.24399
A. Rizvi, S.S. Bae, N.M.A. Mohamed, J.H. Lee, C.B. Park. Extensional Flow Resistance of 3D Fiber Networks in Plasticized Nanocomposites. Macromolecules 52 (17), 6467 (2019).
https://doi.org/10.1021/acs.macromol.9b00885
K.S. Deepa, N.S. Kumari, P. Parameswaran, M.T. Sebastian, J. James. Effect of conductivity of filler on the percolation threshold of composites. Appl. Phys. Lett. 94 (14), 142902 (2009).
https://doi.org/10.1063/1.3115031
Y. Deng, N. Li, Y. Wang, Z. Zhang, Y. Dang, J. Liang. Enhanced dielectric properties of low density polyethylene with bismuth sulfide used as inorganic filler. Mater Lett. 64 (4), 528 (2010).
https://doi.org/10.1016/j.matlet.2009.11.066
F. He, S. Lau, H.L. Chan, J. Fan. High dielectric permittivity and low percolation threshold in nanocomposites based on poly(vinylidene fluoride) and exfoliated graphite nanoplates. Adv. Mater. 21 (6), 710 (2009).
https://doi.org/10.1002/adma.200801758
J.K. Yuan, W.L. Li, S.H. Yao, Y.Q. Lin, A. Sylvestre, J. Bai. High dielectric permittivity and low percolation threshold in polymer composites based on SiC-carbon nanotubes micro/nano hybrid. Appl. Phys. Lett. 98 (3), 032901 (2011).
https://doi.org/10.1063/1.3544942
T.S. Sasikala, M.T. Sebastian. Mechanical, thermal and microwave dielectric properties of Mg2SiO4 filled polyteterafluoroethylene composites. Ceram. Int. 42 (6), 7551 (2016).
https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.01.162
H. Liu, L. Zhang, D. Yang, N. Ning, Y. Yu, L. Yao, B. Yan, M. Tian. A new kind of electro-active polymer composite composed of silicone elastomer and polyethylene glycol. J. Phys. D Appl. Phys. 45 (48), 485303 (2012).
https://doi.org/10.1088/0022-3727/45/48/485303
M. Panda, V. Srinivas, A.K. Thakur. Role of polymer matrix in large enhancement of dielectric constant in polymer-metal composites. Appl. Phys. Lett. 99 (4), 042905 (2011).
https://doi.org/10.1063/1.3600345
J. Varghese, N. Joseph, H. Jantunen, S.K. Behera, H.T. Kim, M.T. Sebastian. Microwave materials for defense and aerospace applications. In: Handbook of Advanced Ceramics and Composites. Edited by Y. Mahajan, J. Roy (Springer, 2019) [ISBN: 978-3-319-73255-8].
https://doi.org/10.1007/978-3-319-73255-8_9-1
Y. Thakur, T. Zhang, C. Iacob, T. Yang, J. Bernholc, L.Q. Chen, J. Runt, Q.M. Zhang. Enhancement of the dielectric response in polymer nanocomposites with low dielectric constant fillers. Nanoscale 9 (31), 10992 (2017).
https://doi.org/10.1039/C7NR01932G
S. Gross, D. Camozzo, V. Di Noto, L. Armelao, E. Tondello. PMMA: A key macromolecular component for dielectric low-k hybrid inorganic-organic polymer films. Eur. Polym. J. 43 (3), 673 (2007).
https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2006.12.012
W. Zhou. Thermal and dielectric properties of the aluminium particle reinforced linear low-density polyethylene composites. Polym. Eng. Sci. 51 (5), 917 (2011).
https://doi.org/10.1002/pen.21913
N. Madusanka, S.G. Shivareddy, P. Hiralal, M.D. Eddleston, Y. Choi, R.A. Oliver, G.A. Amaratunga. Nanocomposites of TiO2/cyanoethylated cellulose with ultra high dielectric constants. Nanotechnology 27 (19), 195402 (2016).
https://doi.org/10.1088/0957-4484/27/19/195402
M.P. Chun. Effect of particle size of BNT filler on dielectric and mechanical properties of LCP based composite. In: Applied Mechanics and Materials. Edited byMohd Zulkifly Abdullah (Trans Tech Public., 2013), Vol. 483, p. 138.
https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.483.138
K. Yang, X. Huang, L. Xie, C. Wu, P. Jiang, T. Tanaka. Core-shell structured polystyrene/BaTiO3 hybrid nanodielectrics prepared by in situ RAFT polymerization: A route to high dielectric constant and low loss materials
with weak frequency dependence, Macromol Rapid Commun. 33 (22), 1921 (2012).
https://doi.org/10.1002/marc.201200361
K.S. Deepa, M.T. Sebastian, J. James. Effect of interparticle distance and interfacial area on the properties of insulator-conductor composites. Appl. Phys. Lett. 91 (20), 202904 (2007).
https://doi.org/10.1063/1.2807271
Y. Li, X. Huang, Z. Hu, P. Jiang, S. Li, T. Tanaka. Large dielectric constant and high thermal conductivity in poly(vinylidene fluoride)/barium titanate/silicon carbide three-phase nanocomposites. ACS Appl. Mater. Interfaces. 3 (11), 4396 (2011).
https://doi.org/10.1021/am2010459
J. Yao, L. Hu, M. Zhou, F. You, X. Jiang, L. Gao, Q.Wang, Z. Sun, J. Wang. Synergistic enhancement of thermal conductivity and dielectric properties in Al2O3/BaTiO3/PP composites. Materials 11 (9), 1536 (2018).
https://doi.org/10.3390/ma11091536
X. Zhang, Y. Shen, B. Xu, Q. Zhang, L. Gu, J. Jiang, J. Ma, Y. Lin, C.W. Nan. Giant energy density and improved discharge efficiency of solution-processed polymer nanocomposites for dielectric energy storage. Adv. Mater. 28 (10), 2055 (2016).
https://doi.org/10.1002/adma.201503881
M. Roy, J.K. Nelson, R.K. MacCrone, L.S. Schadler, C.W. Reed, R. Keefe. Polymer nanocomposite dielectrics - the role of the interface. In: IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation (IEEE, 2005), 12 (4), p. 629.
https://doi.org/10.1109/TDEI.2005.1511089
N. Guo, S.A. DiBenedetto, D.K. Kwon, L. Wang, M.T. Russell, M.T. Lanagan, A. Facchetti, T.J. Marks. Supported metallocene catalysis for in situ synthesis of high energy density metal oxide nanocomposites, J. Am. Chem. Soc. 129 (4), 766 (2007).
https://doi.org/10.1021/ja066965l
S. Sugumaran, C.S. Bellan. Transparent nano composite PVA-TiO2 and PMMA-TiO2 thin films: Optical and delectric properties. Optik 125 (18), 5128 (2014).
https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2014.04.077
Z. Wang, J.K. Nelson, H. Hillborg, S. Zhao, L.S. Schadler. Graphene oxide filled nanocomposite with novel electrical and dielectric properties. Adv Mater. 24 (23), 3134 (2012).
https://doi.org/10.1002/adma.201200827
D. Ramesh. One-step fabrication of biomimetic PVDF-BaTiO3 nanofibrous composite using DoE. Mater. Res. Express. 5 (8), 085308 (2018).
https://doi.org/10.1088/2053-1591/aad156
A. Trajkovska. Inorganic dopants in polymer cholesteric liquid crystals. Maced. J. Chem. Chem. Eng. 34 (2), 381 (2015).
https://doi.org/10.20450/mjcce.2015.629
M. Crippa, A. Bianchi, D. Cristofori, M. D'Arienzo, F. Merletti, F. Morazzoni, R. Scotti, R. Simonutti. High dielectric constant rutile-polystyrene composite with enhanced percolative threshold. J. Mater. Chem. C 1 (3), 484 (2013).
https://doi.org/10.1039/C2TC00042C
X. Zhang, Y. Shen, Q. Zhang, L. Gu, Y. Hu, J. Du, Y. Lin, C.W. Nan. Ultrahigh energy density of polymer nanocomposites containing BaTiO3-TiO2 nanofibers by atomic-scale interface engineering. Adv. Mater. 27 (5), 819 (2015).
https://doi.org/10.1002/adma.201404101
Y. Shen, Y. Lin, Q.M. Zhang. Polymer nanocomposites with high energy storage densities. MRS. Bull. 40 (9), 753 (2015).
https://doi.org/10.1557/mrs.2015.199
B.K. Sharma, A.K. Gupta, N. Khare, S.K. Dhawan, H.C. Gupta. Synthesis and characterization of polyaniline-ZnO composite and its dielectric behavior. Synth. Met. 159 (5-6), 391 (2009).
https://doi.org/10.1016/j.synthmet.2008.10.010
Z. Chen, J. Pei, R. Li. Study of the preparation and dielectric property of PP/SMA/PVDF blend material, Appl. Sci. 7 (4), 389 (2017).
https://doi.org/10.3390/app7040389
C. Yang, H. Li, D. Xiong, Z. Cao. Hollow polyaniline/Fe3O4 microsphere composites: Preparation, characterization, and applications in microwave absorption. React. Funct. Polym. 69 (2), 137 (2009).
https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2008.12.008
J. Gu, X. Meng, Y. Tang, Y. Li, Q. Zhuang, J. Kong. Hexagonal boron nitride/polymethyl-vinyl siloxane rubber dielectric thermally conductive composites with ideal thermal stabilities. Compos. Part A Appl. Sci. Manuf. 92, 27 (2017).
https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2016.11.002
W. Zhou, C. Wang, T. Ai, K. Wu, F. Zhao, H. Gu. A novel fiber-reinforced polyethylene composite with added silicon nitride particles for enhanced thermal conductivity. Compos. Part A Appl. Sci. Manuf. 40 (6-7), 830 (2009).
https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2009.04.005
W. Zhou, J. Zuo, W. Ren. Thermal conductivity and dielectric properties of Al/PVDF composites. Compos. Part A Appl. Sci. Manuf. 43 (4), 658 (2012).
https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2011.11.024
W. Wu, X. Huang, S. Li, P. Jiang, T. Toshikatsu. Novel three-dimensional zinc oxide superstructures for high dielectric constant polymer composites capable of withstanding high electric field. J. Phys. Chem. C. 116 (47), 24887 (2012).
https://doi.org/10.1021/jp3088644
C. Yang, Y. Lin, C.W. Nan. Modified carbon nanotube composites with high dielectric constant, low dielectric loss and large energy density. Carbon 47 (4), 1096 (2009).
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2008.12.037
S.A. Paniagua, Y. Kim, K. Henry, R. Kumar, J.W. Perry, S.R. Marder. Surface-initiated polymerization from barium titanate nanoparticles for hybrid dielectric capacitors. ACS Appl. Mater. Interfaces 6 (5), 3477 (2014).
https://doi.org/10.1021/am4056276
K.S. Shah, R.C. Jain, V. Shrinet, A.K. Singh, D.P. Bharambe. High density polyethylene (HDPE) clay nanocomposite for dielectric applications. In: IEEE Transaction on Dielectrics and Electrical Insulation (IEEE, 2009), 16 (3), p. 853.
https://doi.org/10.1109/TDEI.2009.5128526
N. Madusanka, S.G. Shivareddy, M.D. Eddleston, P. Hiralal, R.A. Oliver, G.A.J. Amaratunga. Dielectric behavior of
montmorillonite/cyanoethylated cellulose nanocomposites. Carbohydr. Polym. 172, 315 (2017).
https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2017.05.057
Q. Li, L. Chen, M.R. Gadinski, S. Zhang, G. Zhang, H.U. Li, E. Iagodkine, A. Haque, L.Q. Chen, T.N. Jackson, Q. Wang. Flexible high-temperature dielectric materials from polymer nanocomposites. Nature 523 (7562), 576 (2015).
https://doi.org/10.1038/nature14647
X. Huang, P. Jiang. Core-shell structured high-k polymer nanocomposites for energy storage and dielectric applications. Adv. Mater. 27 (3), 546 (2015).
https://doi.org/10.1002/adma.201401310
D. He, Y. Wang, X. Chen, Y. Deng. Core-shell structured BaTiO3-Al2O3 nanoparticles in polymer composites for dielectric loss suppression and breakdown strength enhancement, Compos. Part A Appl. Sci. Manuf. 93, 137 (2017).
https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2016.11.025
M.N. Tchoul, S.P. Fillery, H. Koerner, L.F. Drummy, F.T. Oyerokun, P.A. Mirau, M.F. Durstock, R.A. Vaia. Assemblies of titanium dioxide-polystyrene hybrid nanoparticles for dielectric applications. Chem. Mater. 22 (5), 1749 (2010).
https://doi.org/10.1021/cm903182n
T.I. Yang, C.Y. Chuang, S.C. Yang, L.C. Kempel, P. Kofinas. Core/shell iron/oxide nanoparticles for improving the magneto-dielectric properties of polymer composites. Adv. Eng. Mater. 18 (1), 121 (2016).
https://doi.org/10.1002/adem.201500234
S. Liu, S. Xue, S. Xiu, B. Shen, J. Zhai. Surface-modified Ba(Zr0.3Ti0.7)O3 nanofibers by polyvinylpyrrolidone filler for poly(vinylidene fluoride) composites with enhanced dielectric constant and energy storage density. Sci. Rep. 6, 26198 (2016).
https://doi.org/10.1038/srep26198
Z. Zhang, Y. Gu, J. Bi, S. Wang, M. Li, Z. Zhang. Tunable BT-SiO2 core@shell filler reinforced polymer composite with high breakdown strength and release energy density. Compos. Part A Appl. Sci. Manuf. 85, 172 (2016).
https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2016.03.025
M. Laad. Extraction and characterization of silica from agro-waste for energy applications. In: International Conference on Energy, Communication, Data Analytics and Soft Computing (ICECDS) (IEEE, 2017), p. 1946.
Downloads
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
