聚合物納米復合材料作為儲能設備和柔性電子產品的電介質具有巨大潛力。納米填料的結構體系有望在控制納米復合材料的電擊穿和介電性能的基本機制中發揮關鍵作用。然而，納米填料的結構和維數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合材料中納米填料維數與介電性能之間的關鍵關系。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，納米復合材料的頻率相關（1 kHz 至 1 MHz）介電常數 (k) 呈現出層次順序，其中 MWCNT 顯示出最高介電常數 (∼400%)，其次是 rGO（∼360%）、CB（∼290%）、SWCNT（∼230%）和石墨（∼70%）。溫度相關（50–150 °C）介電譜表明，由于偶極子運動增強，k 隨溫度升高而升高。然而，它們的介電擊穿強度和能量密度與 k 無關，并呈現出以下順序：SWCNT > MWCNT > CB > rGO > 石墨。由于電擊穿取決于納米復合材料的機械強度，我們將機械性能與納米填料維數相關聯，楊氏模量遵循 1D ≈ 2D > 0D > 3D 順序。這些發現將為設計下一代柔性電子和電容式儲能設備中可調、有利的納米填料基納米復合材料提供基礎見解。
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）聚合物基質制成的納米復合薄膜的示意圖。 （b）通過刮刀技術制成的厚度約為 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）應力-應變曲線、（b）極限拉伸強度、（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 (1 kHz 至 1 MHz) 介電常數。(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 (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度和介電常數（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。
相關科研成果由休斯頓大學Alamgir Karim等人于2024年發表在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
