BaTiO3 Nanoparticles Coated with Polyurethane and SiO2 for Enhanced Dielectric Properties

纳米复合材料 电介质 材料科学 纳米颗粒 介电常数 聚合物 高-κ电介质 介电损耗 聚合物纳米复合材料 极化(电化学) 复合材料 纳米技术 光电子学 物理化学 化学
作者
Xinhua Wang,You Yuan,Donglin Chen,Bowen Sun,Jun Qian,Xiaoyun Liu,Peiyuan Zuo,Yi Chen,Qixin Zhuang
出处
期刊:ACS applied nano materials [American Chemical Society]
卷期号:6 (4): 2615-2624 被引量:15
标识
DOI:10.1021/acsanm.2c05042
摘要

Core–shell structures are commonly employed in dielectric nanocomposites to improve the energy storage capacity of polymers. However, few studies have focused on organic–inorganic double-layered shell structures. Thus, there is an urgent need to elucidate the detailed effects of the flexible segment of polymer shells and inorganic shells on the dielectric properties. Herein, we synthesized a hierarchical core–double shell BT/PU/SiO2 nanofiller with a thickness of 3–5 nm PU and 15 nm SiO2 layers. This unique shell structure possesses a gradient permittivity that regularly decreases from the inside to the outside of shells. Detailed electrical characterizations reveal that the intermediate PU shell with shorter flexible segments can limit the carrier migration and thus decrease the dielectric loss. The interfacial polarization in double-layered BT/PU/SiO2 is beneficial to improve the dielectric constant of the as-prepared nanocomposites. COMSOL Multiphysics simulation results also confirm that the delicate structure enables the internal electric field more homogeneous, which enhances the breakdown strength owing to its gradient dielectric constant. In addition, the dielectric loss of BT/PU/SiO2-PVDF is 0.032 when the filling is <4 wt %, which is only 45% compared with that of BT-PVDF. Meanwhile, the energy density of the nanocomposite reaches 7.41 J cm–3, which is 1.74 times higher than that of pure PVDF (2.7 J cm–3). Accordingly, our current work provides insight into the design of hierarchical core–double shell nanoparticles and their derived polymer nanocomposite capacitors for high-energy-density storage applications.
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