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Engineering

Applicazione di un agente di accoppiamento per migliorare le proprietà dielettriche dei nanocompositi basati su polimeri

Published: September 19, 2020 doi: 10.3791/60916
Automatic Translation
1,2,3, 4, 4, 5, 1, 1,2
1Taiyuan University of Science and Technology, 2Heavy Machinery Engineering Research Center of the Ministry of Education, 3Laboratory of Magnetic and Electric Functional Materials and Applications, The Key Laboratory of Shanxi Province, 4Beijing Institute of Aerospace System Engineering, 5Department of Electrical and Information Engineering, Sichuan College of Architectural Technology

Summary

Qui, dimostriamo un processo di colata di soluzione semplice e a basso costo per migliorare la compatibilità tra il riempitivo e la matrice di nanocompositi a base di polimeri utilizzando riempitivi BaTiO3 modificati in superficie, che possono migliorare efficacemente la densità energetica dei compositi.

Abstract

In questo lavoro, è stato sviluppato un metodo semplice, a basso costo e ampiamente applicabile per migliorare la compatibilità tra i riempitivi in ceramica e la matrice polimerica aggiungendo 3-aminopropyltriethoxysilane (KH550) come agente di accoppiamento durante il processo di fabbricazione dei nanocompositi BaTiO 3-P(VDF-CTFE) attraverso la fusione della soluzione.3 I risultati mostrano che l'uso di KH550 può modificare la superficie dei nanofiller ceramici; pertanto, è stata ottenuta una buona wettability sull'interfaccia ceramica-polimero, e le migliori prestazioni di stoccaggio dell'energia sono state ottenute da una quantità adeguata dell'agente di accoppiamento. Questo metodo può essere utilizzato per preparare compositi flessibili, che è altamente auspicabile per la produzione di condensatori di pellicola ad alte prestazioni. Se nel processo viene utilizzata una quantità eccessiva di agente di accoppiamento, l'agente di accoppiamento non collegato può partecipare a reazioni complesse, il che porta a una diminuzione della costante dielettrica e ad un aumento della perdita dielettrica.

Introduction

I dielettri applicati nei dispositivi di stoccaggio dell'energia elettrica sono principalmente caratterizzati utilizzando due parametri importanti: la costante dielettrica (zr) e la forza di rottura (Eb)1,2,3. In generale, i materiali organici come il polipropilene (PP) presentano un'alta Eb (102 MV/m) e una bassar (per lo più <5)4,5,6 mentre materiali inorganici, in particolare ferroelettrici come BaTiO3, presentano un altor (103-104) e un basso E b (100 MV/m)6,7,8. In alcune applicazioni, la flessibilità e la capacità di resistere a impatti meccanici elevati sono importanti anche per la fabbricazione di condensatori dielettri4. Pertanto, è importante sviluppare metodi per la preparazione di compositi dielettrico a base polimerica, in particolare per lo sviluppo di metodi a basso costo per creare 0-3 nanocompositi ad alteprestazioni con alti r ed Eb9,10,11,12,13,14,15,16,17,18. A tale scopo, i metodi di preparazione basati su matrici di polimeri ferroelettrici come il PVDF del polimero polare e i suoi copolimeri correlati sono ampiamente accettati a causa del loro più alto , r (10)4,19,20.r In questi nanocompositi, le particelle con alta er, soprattutto ceramiche ferroelettriche, sono state ampiamente utilizzate come riempitivi6,20,21,22,23,24,25.

Quando si sviluppano metodi per la produzione di compositi ceramico-polimero, vi è una preoccupazione generale che le proprietà dielettriche possono essere influenzate in modo significativo dalla distribuzione dei riempitivi26. L'omogeneità dei compositi dielettrico non è determinata solo dai metodi di preparazione, ma anche dalla wettability tra la matrice e i filler27. È stato dimostrato da molti studi che la non uniformità dei compositi ceramico-polimerici può essere eliminata da processi fisici come il rivestimento dello spin28,29 e la pressatura a caldo19,26. Tuttavia, nessuno di questi due processi modifica la connessione superficiale tra riempitivi e matrici; pertanto, i compositi preparati con questi metodi sono ancora limitati nel miglioramento di , Red Eb19,27. Inoltre, dal punto di vista produttivo, i processi scomodi sono indesiderabili per molte applicazioni perché possono portare a processi di fabbricazione molto piùcomplessi 28,29. A questo proposito, è necessario un metodo semplice ed efficace.

Attualmente, il metodo più efficace per migliorare la compatibilità dei nanocompositi ceramico-polimero si basa sul trattamento delle nanoparticelle ceramiche, che modifica la chimica della superficie tra riempitivi e matrici30,31. Recenti studi hanno dimostrato che gli agenti di accoppiamento possono essere facilmente rivestiti su nanoparticelle ceramiche e modificare efficacemente la wettability tra riempitivi e matrici senza influenzare il processo di colata32,33,34,35,36. Per la modifica della superficie, è ampiamente accettato che per ogni sistema composito vi sia una quantità adeguata di agente di accoppiamento, che corrisponde ad un aumento massimo della densità di stoccaggiodell'energia 37; l'eccesso di accoppiamento in compositi può comportare un calo delle prestazioni dei prodotti36,37,38. Per i compositi dielettrico che utilizzano riempitivi ceramici di dimensioni nanometriche, si ipotizza che l'efficacia dell'agente di accoppiamento dipenda principalmente dalla superficie dei riempitivi. Tuttavia, la quantità critica da utilizzare in ogni sistema di dimensioni nanometriche deve ancora essere determinata. In breve, sono necessarie ulteriori ricerche per utilizzare agenti di accoppiamento per sviluppare semplici processi per la produzione di nanocompositi ceramico-polimero.

In questo lavoro, BaTiO3 (BT), il materiale ferroelettrico più ampiamente studiato con alta costante dielettrica, è stato utilizzato come riempitivi, e il P(VDF-CTFE) 91/9 mol% copolymer (VC91) è stato utilizzato come matrice polimerica per la preparazione di compositi ceramico-polimero. Per modificare la superficie dei nanofiller BT, il 3-aminopropyltriethoxysilane (KH550) disponibile in vendita è stato acquistato e utilizzato come agente di accoppiamento. La quantità critica del sistema nanocomposito è stata determinata attraverso una serie di esperimenti. Un metodo semplice, a basso costo e ampiamente applicabile è dimostrato per migliorare la densità energetica dei sistemi compositi di nano-dimensioni.

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Protocol

1. Modifica superficiale dei riempitivi BT

  1. Preparare 20 mL di soluzione KH550 (1 wt% KH550 in 95 wt% solvente di etanolo-acqua) e ultrasonicate per 15 min.
  2. Pesare le nanoparticelle BT (cioè il filler) e il KH550, rispettivamente, in modo che i riempitivi possano essere rivestiti con 1, 2, 3, 4, 5 wt% dell'agente di accoppiamento. Trattare 1 g di nanoparticelle BT in 1.057, 2.114, 3.171, 4.228 e 5.285 mL di soluzione KH550 di 30 min di ultrasonica.
  3. Evaporare il solvente acqua-etanolo dalla miscela a 80 gradi centigradi per 5 h e poi a 120 gradi centigradi per 12 h in un forno a vuoto.
  4. Utilizzare le nanoparticelle BT secche come riempitivi modificati di superficie per preparare nanocompositi BT-VC91.

2. Preparazione dei nanocompositi BT-VC91

  1. Sciogliere 0,3 g di polveri VC91 in 10 mL di N,N-dimethylformamide (DMF) a temperatura ambiente mescolando magneticamente per 8 h per ottenere una soluzione VC91-DMF omogenea.
  2. Aggiungere 0.0542, 0.1145, 0.1819, 0.2578, 0.3437 e 0.4419 g di nanoparticelle BT in 10 mL della soluzione VC91-DMF per ottenere una percentuale BT finale di 5, 10, 15, 20, 25 e 30 vol nei nanocomposites. Mescolare le nanoparticelle BT mescolando magneticamente per 12 h e l'ultrasuonione per 30 minuti per formare una sospensione omogenea BT-VC91-DMF.
    NOTA: vengono utilizzate entrambe le nanoparticelle BT e BT non modificate rivestite con l'agente di accoppiamento.
  3. Gettare le sospensioni versando uniformemente il BT-VC91-DMF su un substrato di vetro preriscaldato da 75 mm x 25 mm (3 mL per substrato). Tenere i substrati di vetro con sospensioni in forno a 70 gradi centigradi per 8 h per far evaporare il solvente DMF per formare pellicole composite.
  4. Rilasciare i compositi da substrati di vetro utilizzando pinzette affilate per ottenere pellicole BT-VC91 indipendenti. Anneal i film su una carta preriscaldata senza polvere a 160 gradi centigradi in aria per 12 h.

3. Caratterizzazione e misurazione

  1. Caratterizzare la morfologia e l'uniformità dei nanocompositi utilizzando un microscopio elettronico a scansione (SEM). Per fare questo, congelare i campioni BT-VC91 in azoto liquido e rompersi per mostrare una sezione trasversale fresca con una dimensione approssimativa di 5 mm x 30 m (cioè l'interfaccia ceramica-polimero). Quindi rivestire un lato della sezione trasversale con uno strato d'oro con uno spessore di 3/5 nm e caratterizzare la struttura composita utilizzando un SEM (Tabella dei Materiali).
  2. Utilizzando un rivestimento d'oro (Tabella dei Materiali), strati d'oro sputter con una forma di cerchio positivo, un diametro di 3 mm, e uno spessore di 50 nm su entrambi i lati del nanocomposito preparato dal passo 2 per formare l'elettrodo per il test di impedimento.
  3. Caratterizzare la capacità e la perdita dielettrica dei nanocompositi su un intervallo di frequenza da 100 Hz a 1 MHz utilizzando un analizzatore di impedimento(Tabella dei materiali) con la funzione Cp-D. Nel test, collegare strati d'oro su entrambi i lati della pellicola composita con i due poli di apparecchio.
  4. Calcolare la costante dielettricar(r) dei nanocompositi dalla capacità ottenuta dall'analizzatore di impedimento utilizzando il modello di condensatore parallelo:

    n.r : dCp/0 A0

    dove0 è 8,85 x 10-12, A è l'area degli elettrodi d'oro, d è lo spessore del campione, e Cp è capacità parallela ottenuta collegando gli elettrodi d'oro con l'apparecchio dell'analizzatore di impedimento.
  5. Caratterizzare la resistenza di ripartizione dei nanocompositi utilizzando un fornitore di alta tensione da 10 kV(Tabella dei materiali). Aumentare il campo elettrico applicato in modo uniforme e continuo fino alla ripartizione di ogni campione.
  6. Caratterizzare il ciclo di isteresi di campo polarizzazione-elettrico (P-E) di nanocompositi utilizzando un tester ferroelettrico. Registrare i loop P-E in ogni campo elettrico aumentando continuamente il campo elettrico.

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Representative Results

Le pellicole in nanocomposito indipendenti con diversi contenuti di riempitivi sono state fabbricate con successo come descritto nel protocollo, e sono state etichettate come xBT-VC91, dove x è la percentuale di volume di BT nei compositi. L'effetto di KH550 (agente di accoppiamento) sulla morfologia e la microstruttura di questi film BT-VC91 è stato studiato da SEM e mostrato nella Figura 1. Le immagini SEM di 30BT-VC91 nanocompositi con agente di accoppiamento 1 e 5 wt% sono mostrate nella Figura 1a e nella Figura 1b. La distribuzione di riempitivi di nanocompositi BT-VC91 con 1 wt% KH550 è molto più densa e più uniforme di quella dei nanocompositi BT-VC91 con 5 wt% KH550, suggerendo che le nanoparticelle ceramiche trattate con una quantità adeguata di agente di accoppiamento potrebbero essere distribuite uniformemente nei nanocompositi durante la fusione, mentre l'eccessiva quantità di agente di accoppiamento può causare interazioni tra nanoparticelle ceramiche e portare all'aggregazione di riempitivi. L'immagine della sezione trasversale (cioè l'interfaccia ceramica-polimero) di 30BT-VC91 nanocompositi utilizzando riempitivi BT ricevuti (non modificati) è illustrata nella Figura 1c, mentre la sezione trasversale di 30BT-VC91 nanocomposites contenenti 1 wt% di KH550 è illustrata nella Figura 1d. Per i nanocompositi che utilizzano BT non rivestiti, anche se la maggior parte delle nanoparticelle sono strettamente incapsulate nel polimero, ci sono ancora alcune separazioni tra i riempitivi e la matrice, il che significa che non c'è alcun collegamento tra la matrice e i riempitivi. Per i nanocompositi che utilizzano BT rivestiti kh550, non vi è alcuna separazione tra nanoparticelle BT e matrice VC91, il che indica che l'agente di accoppiamento potrebbe fungere da ponte tra filler e matrice.

Le proprietà dielettriche dei nanocompositi con diverse quantità di agente di accoppiamento sono state quindi testate e mostrate nella Figura 2. Il contenuto dielettrico rispetto alla quantità di agente di accoppiamento a 1 kHz e 100 kHz è stato tracciato nella Figura 2a,b. Per i nanocompositi con un basso contenuto di riempitivi (cioè, 5, 10 e 15 vol%), l'indicer dei compositi è rimasto sostanzialmente invariato quando viene utilizzata una piccola quantità di agente di accoppiamento e diminuisce leggermente con l'aumento della quantità di agente di accoppiamento. Per i nanocompositi con un alto contenuto di riempitivi, in particolare i nanocompositi con un contenuto di riempitivi di 30 vol%, l'òr dei compositi aumenta ovviamente con una piccola quantità di agente di accoppiamento e diminuisce bruscamente con l'ulteriore aumento della quantità di agente di accoppiamento. Quando una quantità adeguata di KH550 è stata rivestita sulla superficie del riempitivi BT, è stato possibile raggiungere il massimo di z r. Ad esempio, è stato ottenuto un numerodi 51 euro da 30BT-VC91 con il 2 wt% di KH550 (Figura 2a), che è molto più grande di quello di 30BT-VC91 senza KH550 (circa 40). In questo sistema composito, l'aumento di z rper i nanocomposites con una piccola quantità di agente di accoppiamento è dovuto all'aumento della wettability sull'interfaccia ceramica-polimero, e alla possibile percolazione dagli additivi6,10,33; la diminuzione di1 r per BT-VC91 utilizzando nanoparticelle BT rivestite con una grande quantità di KH550 è dovuta alla formazione di miscele polimeriche VC91-KH550 con una bassa costante dielettrica. La differenza nelle proprietà dielettriche tra nanocompositi di riempimento basso e nanocompositi di riempimento elevato può essere attribuita alla quantità effettiva di KH550 utilizzata nella preparazione del campione. La perdita dielettrica rispetto alla quantità di agente di accoppiamento a 1 kHz e 100 kHz è stata tracciata nella Figura 2c,d. BT-VC91 con KH550 ha una perdita dielettrica superiore a quella di BT-VC91 senza KH550.

Anche i punti di forza della ripartizione dei nanocompositi BT-VC91 sono stati registrati e mostrati nella Figura 3. Per determinare la quantità critica dell'agente di accoppiamento, la forza di ripartizione rispetto alla quantità di agente di accoppiamento e la forza di rottura rispetto al contenuto del riempitore sono state illustrate rispettivamente nella figura 3a e nella figura 3b. Come previsto, la Eb di BT-VC91 è diminuita con l'aumento del contenuto di riempitivi ( Figura3b) a causa della formazione dell'interfaccia ceramica-polimero. È stato osservato un Emassimo di 30BT-VC91 per i compositi prodotti utilizzando riempitivi trattati con 2 wt% KH550 ( Figura3b). Se è stato utilizzato un importo KH550 superiore al 2 wt%, la Eb di BT-VC91 è stata ulteriormente diminuita ( Figura3a). Aggiungendo 2 wt% KH550, la Eb di 30BT-VC91 potrebbe essere aumentata a 200 MV/m.

L'efficienza di carica-scarico e la densità energetica di scarico dei nanocompositi con diversa quantità di agente di accoppiamento sono state calcolate dai loro anelli P-E. Come esempio della maggiore densità di energia dovuta all'utilizzo dell'agente di accoppiamento, le proprietà di stoccaggio dell'energia di 15BT-VC91 con diversa quantità di KH550 sono mostrate nella Figura 4. La densità massima di energia dei nanocompositi BT-VC91 con una piccola quantità di agente di accoppiamento (1 - 2 wt%) apparentemente aumentato rispetto a quelli dei nanocompositi senza agente di accoppiamento (Figura 4b), che potrebbero essere attribuiti principalmente alla maggiore resistenza alla rottura e ad un'efficienza di scarico della carica relativamente elevata (η). A causa della maggiore perdita sotto l'alta produzione elettrica, il η dei nanocompositi BT-VC91 è diminuito a relativamente alta produzione elettrica(Figura 4a). L'aggiunta di 1 - 2 wt% di KH550 ha aumentato η di nanocompositi sotto un campo elettrico fisso ( Figura4a), che è stato attribuito all'effetto di collegamento ponte introdotto. In sintesi, per i nanocompositi preparati in questo lavoro utilizzando nanoparticelle BT con un diametro di 200 nm, la quantità critica di KH550 è inferiore a 2 wt%.

In termini di dipendenza da frequenza delle proprietà dielettriche, sonostati tracciati anche i caratteridi ò e tan - dei nanocompositi rispetto alla frequenza di test. Ad esempio, le proprietà dielettriche di BT-VC91 con agente di accoppiamento 1 wt% sono illustrate nella Figura 5, che indicava che le dipendenze di frequenza delle proprietà dielettriche (r etan)di tutti i nanocompositi BT-VC91 sono state determinate principalmente dalla matrice polimera. Inanocompositi sono diminuiti gradualmente con l'aumentare della frequenza ( Figura5a). L'abbronzatura è diminuita gradualmente con la frequenza a basse frequenze, ma gradualmente è aumentata ad alte frequenze (Figura 5b).

Figure 1
Figura 1: immagini SEM di sezioni trasversali. Distribuzione di riempimento di (a) 30BT-VC91 con 1 wt% di KH550 e (b) 30BT-VC91 con 5 wt% di KH550. Interfaccia ceramica-polimero di (c) 30BT-VC91 senza KH550 e (d) 30BT-VC91 con 1 wt% di KH550. Questa cifra è stata modificata da Tong et al.4. Si prega di fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: Proprietà dielettriche dei compositicon diversa quantitàr di agente di accoppiamento (ar ) a 1 kHz e (b) r a 100 kHz; (c) tan a 1 kHz e (d) tan a 100 kHz. Questa cifra è stata modificata da Tong et al.4. Si prega di fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: Punti di forza di ripartizione dei nanocompositi con diversa quantità di agente di accoppiamento (a) Eb di BT-VC91 in funzione della quantità di KH550 (b) Eb di BT-VC91 in funzione del contenuto di riempimento. Questa cifra è stata modificata da Tong et al.4. Si prega di fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: Prestazioni di stoccaggio dell'energia di nanocompositi con diversa quantità di agente di accoppiamento (una) efficienza di carica-scarico e (d) densità di energia di scarico di 15BT-VC91 in funzione della quantità di KH550. Questa cifra è stata modificata da Tong et al.4. Si prega di fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5: Dipendenza da frequenza delle proprietà dielettriche dei nanocompositi (a) e (b) tan di BT-VC91 con 1 wt% di KH550.r Questa cifra è stata modificata da Tong et al.4. Si prega di fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Discussion

Come discusso in precedenza, il metodo sviluppato da questo lavoro potrebbe migliorare con successo le prestazioni di stoccaggio dell'energia dei nanocompositi ceramico-polimero. Per ottimizzare l'effetto di tale metodo, è fondamentale controllare la quantità di agente di accoppiamento utilizzato nella modifica ceramica-superficie. Per le nanoparticelle ceramiche con un diametro di 200 nm, è stato determinato sperimentalmente che il 2 wt% di KH550 potrebbe portare ad una densità massima di energia. Per altri sistemi compositi, questa conclusione può essere utilizzata approssimativamente quando vengono adottati i riempitivi con il diametro vicino a 200 nm. Se vengono utilizzati riempitivi con un diametro molto più grande di 200 nm, la quantità critica deve essere determinata nuovamente attraverso una serie simile di esperimenti.

Rispetto ad altre opere che hanno tentato di migliorare l'uniformità e le prestazioni dei nanocompositi dielettrici, il metodo sviluppato in questo lavoro è molto più semplice e ha un costo inferiore. Inoltre, l'applicazione dell'agente di accoppiamento può essere combinata con altri processi come il rivestimento dello spin e la pressatura a caldo. La modifica superficiale dei nano-riempitivi ceramici sarà ampiamente applicata nella produzione di vari dielettri avanzati in futuro.

Va sottolineato che l'applicazione dell'agente di accoppiamento non modifica realmente le proprietà dei nanocompositi. Pertanto, l'efficacia di un agente di accoppiamento in un composito dipende fortemente dalla selezione di riempitivi e matrici, e il metodo qui proposto aumenta le prestazioni di stoccaggio dell'energia solo in misura limitata. Per sviluppare dielettriche con una densità energetica notevolmente aumentata, i nuovi sistemi compositi devono ancora essere creati.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgments

Questo lavoro è stato sostenuto dalla Taiyuan University of Science and Technology Scientific Research Initial Funding (20182028), la fondazione di dottorato della provincia di Shanxi (20192006), la Natural Science Foundation of Shanxi Province (201703D111003), il progetto Science and Technology Major della provincia di Shanxi (MC2016-01) e il Progetto U610256 sostenuto dalla National Natural Science Foundation of China.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3-Aminopropyltriethoxysilane (KH550) Sigma-Aldrich 440140 Liquid, Assay: 99%
95 wt.% ethanol-water Sigma-Aldrich 459836 Liquid, Assay: 99.5%
BaTiO3 nanoparticles US Research Nanomaterials US3830 In a diameter of about 200 nm
Ferroelectric tester Radiant Precision-LC100
Glass substrates Citoglas 16397 75 x 25 mm
Gold coater Pelco SC-6
High voltage supplier Trek 610D 10 kV
Impedance analyzer Keysight 4294A
N, N dimethylformamide Fisher Scientific GEN002007 Liquid
P(VDF-CTFE) 91/9 mol.% copolymer
Scanning Electron Microscopy (SEM) JEOL JSM-7000F
Vacuum oven Heefei Kejing Materials Technology Co, Ltd DZF-6020

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References

  1. Lines, M. E., Glass, A. M. Principles and applications of ferroelectrics and related materials. , Oxford University Press. (2001).
  2. Nalwa, H. S. Handbook of low and high dielectric permittivity materials and their applications, phenomena, properties and applications. , Academic. San Diego, CA. (1999).
  3. Kao, K. C. Dielectric phenomena in solids. , Academic Press. (2004).
  4. Tong, Y., Li, L., Liu, J., Zhang, K., Jiang, Y. Influence of coupling agent on the microstructure and dielectric properties of free-standing ceramic-polymer composites. Materials Research Express. 6 (9), 095322 (2019).
  5. Zhang, M., et al. Controlled functionalization of poly(4-methyl-1-pentene) films for high energy storage applications. Journal of Materials Chemistry A. 4 (13), 4797-4807 (2016).
  6. Zhang, L., Cheng, Z. Y. Development of polymer-based 0-3 composites with high dielectric constant. Journal of Advanced Dielectrics. 1 (04), 389-406 (2011).
  7. Barsoum, M., Barsoum, M. W. Fundamentals of ceramics. , CRC press. (2002).
  8. Jaffe, B. Piezoelectric ceramics. , Elsevier. (2012).
  9. Zhang, L., et al. All-organic dielectric nanocomposites using conducting polypyrrole nanoclips as filler. Composites Science Technology. 167, 285-293 (2018).
  10. Liao, X., et al. Flexible hdC-G reinforced polyimide composites with high dielectric permittivity. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 101, 50-58 (2017).
  11. Xu, W., et al. Highly foldable PANi@ CNTs/PU dielectric composites toward thin-film capacitor application. Materials Letters. 192, 25-28 (2017).
  12. Zhang, L., et al. Nano-clip based composites with a low percolation threshold and high dielectric constant. Nano Energy. 26, 550-557 (2016).
  13. Zhou, S., Zhou, G., Jiang, S., Fan, P., Hou, H. Flexible and refractory tantalum carbide-carbon electrospun nanofibers with high modulus and electric conductivity. Materials Letters. 200, 97-100 (2017).
  14. Zhang, L., Du, W., Nautiyal, A., Liu, Z., Zhang, X. Recent progress on nanostructured conducting polymers and composites: synthesis, application and future aspects. Science China Materials. 61 (3), 303-352 (2018).
  15. Xie, Y., Yu, Y., Feng, Y., Jiang, W., Zhang, Z. Fabrication of Stretchable Nanocomposites with High Energy Density and Low Loss from Cross-Linked PVDF Filled with Poly(dopamine) Encapsulated BaTiO3. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (3), 2995-3005 (2017).
  16. Zhang, L., Wu, P., Li, Y., Cheng, Z. Y., Brewer, J. C. Preparation process and dielectric properties of Ba0.5Sr0.5TiO3-P(VDF-CTFE) nanocomposites. Composite Part B: Engineering. 56, 284-289 (2014).
  17. Dang, Z. M., et al. Fundamentals, processes and applications of high-permittivity polymer-matrix composites. Progress in Materials Science. 57 (4), 660-723 (2012).
  18. Wu, P., et al. Effect of coupling agents on the dielectric properties and energy storage of Ba0.5Sr0.5TiO3/P(VDF-CTFE) nanocomposites. AIP Advances. 7 (7), 075210 (2017).
  19. Zhang, L., et al. Process and microstructure to achieve ultra-high dielectric constant in ceramic-polymer composites. Scientific Reports. 6, 35763 (2016).
  20. Lu, X., Tong, Y., Cheng, Z. Y. Fabrication and characterization of free-standing, flexible and translucent BaTiO3-P (VDF-CTFE) nanocomposite films. Journal of Alloys and Compounds. 770, 327-334 (2019).
  21. Goyal, R. K., Katkade, S. S., Mule, D. M. Dielectric, mechanical and thermal properties of polymer/BaTiO3 composites for embedded capacitor. Composites Part B: Engineering. 44 (1), 128-132 (2013).
  22. Pan, Z., et al. Fast discharge and highenergy density of nanocomposite capacitors using Ba0.6Sr0.4TiO3nanofibers. Ceramics International. 42 (13), 14667-14674 (2016).
  23. Hu, G., et al. Preparation and dielectric properties of poly(vinylidene fluoride)/Ba0.6Sr0.4TiO3 composites. Journal of Alloys and Compounds. 619, 686-692 (2015).
  24. Chen, Y., Chan, H. L. W., Choy, C. L. Nanocrystalline lead titanate and lead titanate/vinylidene fluoride-trifluoroethylene 0-3 nanocomposites. Journal of the American Ceramic Society. 81 (5), 1231-1236 (1998).
  25. Singh, P., Borkar, H., Singh, B. P., Singh, V. N., Kumar, A. Ferroelectric polymer-ceramic composite thick films for energy storage applications. AIP advances. 4 (8), 087117 (2014).
  26. Dang, Z., et al. Fundamentals, processes and applications of high-permittivity polymer-matrix composites. Progress in Materials Science. 57 (4), 660-723 (2012).
  27. Arbatti, M., Shan, X. B., Cheng, Z. Y. Ceramic-Polymer Composites with High Dielectric Constant. Advanced Materials. 19 (10), 1369-1372 (2007).
  28. Fan, B., Liu, Y., He, D., Bai, J. Achieving polydimethylsiloxane/carbon nanotube (PDMS/CNT) composites with extremely low dielectric loss and adjustable dielectric constant by sandwich structure. Applied Physics Letters. 112 (5), 052902 (2018).
  29. Liao, S., et al. A surface-modified TiO2 nanorod array/P(VDF-HFP) dielectric capacitor with ultra-high energy density and efficiency. Journal of Materials Chemistry C. 5 (48), 12777-12784 (2017).
  30. Mittal, K. L. Silanes and Other Coupling Agents. 3, CRC Press. (2004).
  31. Zhang, X., et al. Superior Energy Storage Performances of Polymer Nanocomposites via Modification of Filler/Polymer Interfaces. Advanced Materials Interfaces. 5 (11), 1800096 (2018).
  32. Yeh, J. M., et al. Thermal and optical properties of PMMA-titania hybrid materials prepared by sol-gel approach with HEMA as coupling agent. Journal of Applied Polymer Science. 94 (1), 400-405 (2004).
  33. Yang, C., Song, H. S., Liu, D. B. Effect of coupling agents on the dielectric properties of CaCu3Ti4O12/PVDF composites. Composites Part B: Engineering. 50, 180-186 (2013).
  34. Iijima, M., Sato, N., Lenggoro, I. W., Kamiya, H. Surface Modification of BaTiO3 Particles by Silane Coupling Agents in Different Solvents and Their Effect on Dielectric Properties of BaTiO3/Epoxy Composites. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 352 (1-3), 88-93 (2009).
  35. Zhang, Q., et al. Enhanced Dielectric Tunability of Ba0.6Sr0.4TiO3/Poly(vinylidene fluoride) Composites via Interface Modification by Silane Coupling. Agent. Composites Science and Technology. 129, 93-100 (2016).
  36. Dang, Z. M., Wang, H. Y., Xu, H. P. Influence of Silane Coupling Agent on Morphology and Dielectric Property in BaTiO3/Polyvinylidene fluoride Composites. Applied Physics Letters. 89 (11), 112902 (2006).
  37. Tong, Y., Zhang, L., Bass, P., Rolin, T. D., Cheng, Z. Y. Influence of silane coupling agent on microstructure and properties of CCTO-P(VDF-CTFE) composites. Journal of Advanced Dielectrics. 8 (02), 1850008 (2018).
  38. Shan, X. High dielectric constant 0-3 ceramic-polymer composites. , Auburn University. (2009).

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Ingegneria Emissione 163 dielettrica nanocompositi agente di accoppiamento ceramica-polimero microstruttura free-standing
Applicazione di un agente di accoppiamento per migliorare le proprietà dielettriche dei nanocompositi basati su polimeri
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Li, H., Zhang, D., Li, Z., Li, L.,… More

Li, H., Zhang, D., Li, Z., Li, L., Liu, J., Li, Y. Application of a Coupling Agent to Improve the Dielectric Properties of Polymer-Based Nanocomposites. J. Vis. Exp. (163), e60916, doi:10.3791/60916 (2020).

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