应用偶联剂改善聚合物基纳米复合材料的介电性能

已证明使用商用偶联剂可改性陶瓷纳米填料的表面，从而在陶瓷-聚合物界面实现良好的润湿性，并通过适量偶联剂获得增强的能量存储性能。本研究开发的方法可用于柔性复合材料的制备，这对于高性能薄膜电容器的生产具有重要意义。将KH550溶于95 wt%的乙醇水溶液中，经15分钟超声处理制备成溶液。

将BT纳米颗粒在KH550溶液中进行30分钟的超声处理。在此过程中，称取用1%、2%、3%、4%和5%（质量分数）偶联剂包覆的BT纳米颗粒填料的质量，KH550稀释溶液的体积为5毫升。在真空烘箱中，先于80摄氏度蒸发去除基质中的水-乙醇溶剂5小时，然后在120摄氏度继续干燥12小时。

将干燥的纳米颗粒用作表面改性填料，用于制备 BTVC-91 纳米复合材料。第一步，通过磁力搅拌在室温下将 0.3 克聚合物粉末溶解于 10 毫升 DMF 中，持续八小时，制备基于 DMF 的聚合物溶液。第二步，将钛酸钡纳米颗粒加入该溶液中，随后搅拌 12 小时以形成均匀悬浮液，并超声处理 30 分钟。

在制备过程中，使用了未改性的钛酸钡以及经偶联剂包覆的钛酸钡。随后，将悬浮液浇铸到预热的玻璃基底上以成膜。每片玻璃基底上滴加3 mL悬浮液。

第五步，将带有悬浮液的玻璃基板置于70摄氏度的烘箱中保持八小时，以蒸发溶剂。第六步，最后，将所制备的薄膜从玻璃基板上剥离，得到自支撑薄膜，并在空气中于160摄氏度退火12小时。按照该方案，成功制备了自支撑纳米复合薄膜。

通过扫描电镜（SEM）确认，经适量偶联剂处理的陶瓷纳米颗粒在浇铸过程中可均匀分散于纳米复合材料中；而过量的偶联剂可能导致陶瓷纳米颗粒之间发生相互作用，进而引起填料的团聚。对于填料含量较低的纳米复合材料，当使用少量偶联剂时，复合材料的介电常数基本保持不变，随着偶联剂用量进一步增加，介电常数略有下降。对于填料含量较高的纳米复合材料，当使用少量偶联剂时，复合材料的介电常数反而增加，但随着偶联剂用量进一步增加，介电常数则显著下降。

就介电损耗而言，添加偶联剂的纳米复合材料比未添加偶联剂的纳米复合材料具有更高的介电损耗。当偶联剂用量为2 wt%时，获得最高的击穿强度。随着偶联剂含量进一步增加，纳米复合材料的击穿强度降低。

由于击穿强度提高以及充放电效率相对较高，添加少量偶联剂的纳米复合材料的最大能量密度得到改善。本研究中，采用钛酸钡作为填料，这是研究最广泛的高介电常数铁电材料。以PVDF-CTFE共聚物作为聚合物基体，用于制备陶瓷-聚合物复合材料。

为了改性钛酸钡纳米填料的表面，采用了市售的KH550作为偶联剂。该纳米复合体系的关键添加量通过一系列实验确定。本研究展示了一种简单、低成本且具有广泛适用性的方法，可提高纳米复合体系的能量密度。