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Construction of sandwich‐layered polyimide hybrid films containing double core–shell structured fillers for high energy storage density

材料科学 电介质 复合材料 聚酰亚胺 高-κ电介质 纳米颗粒 钛酸钡 复合数 图层(电子) 陶瓷 纳米技术 光电子学
作者
Xianwu Cao,Nahong Zhang,Lu Zhao,Chonghao Lu,Chunhui Bi,Guangjian He,Wei Wu
出处
期刊:Polymer Composites [Wiley]
卷期号:45 (5): 4447-4458 被引量:9
标识
DOI:10.1002/pc.28072
摘要

Abstract The inherent low dielectric constant of polyimide (PI) dielectrics restricts their applications to become a component of high energy density film capacitors. In this work, double core–shell structured barium titanate@magnesium oxide@polydopamine (BaTiO 3 @MgO@PDA) nanoparticles were synthesized successfully and utilized as high dielectric constant functional fillers for PIs, in which the insulating MgO layer meliorated dielectric constant difference between BaTiO3 and PI matrix, and the organic PDA layer improved the compatibility between the inorganic fillers and PI matrices. Then, a series of sandwich‐structured PI‐based hybrid films was prepared through a layer‐by‐layer solution casting method. The middle layer of pure PI with excellent insulating properties effectively suppressed charge injection. With the combination of sandwich structure and the BaTiO 3 @MgO@PDA nanoparticles, the PI hybrid film containing 15 wt% fillers in the outer layers achieved the maximum breakdown strength of 425.68 kV/mm and the maximum energy density of 5.132 J/cm 3 , which was 68.3% and 413% higher than those of pure PI film, respectively, meanwhile maintained a low dielectric loss value of 0.0083 at 1 kHz. The introduction of BaTiO 3 @MgO@PDA enhanced the interfacial polarization due to the high barrier energy between adjacent layers preventing the transfer of electrons and weakening the leakage current in the sandwich‐structured composite film. This work demonstrates that an appropriate combination of high dielectric hybrid fillers and multilayer structure can effectively increase the energy storage density of PI substrate for high‐temperature energy storage applications. Highlights The double core–shell structured BaTiO 3 @MgO@PDA was synthesized successfully. The sandwich‐structured hybrid films were prepared by layer‐by‐layer method. The energy density of hybrid films reached a high value of 5.132 J/cm 3 .
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