Obtaining high dielectric constant and breakdown strength in composites with asymmetric MXene filler and highly insulative PVC matrix

材料科学 复合材料 电介质 复合数 高-κ电介质 渗流阈值 填料(材料) 聚合物 介电损耗 电阻率和电导率 光电子学 电气工程 工程类
作者
Yefeng Feng,Li Liu,Hongrong Qiu,Maolin Bo,Wanshan Duan,Qihuang Deng
出处
期刊:Surfaces and Interfaces [Elsevier BV]
卷期号:32: 102133-102133 被引量:10
标识
DOI:10.1016/j.surfin.2022.102133
摘要

Utilizing percolation of symmetric MXene filler easily achieves high dielectric constant in polymer/MXene composites. However, percolation leads to low breakdown strength. In present work, we have adopted a new strategy of employing asymmetric bimetallic VTiC MXene filler to fabricate composite dielectrics with highly insulating polyvinyl chloride (PVC) matrix. VTiC filler was prepared via heat-pressing and etching. PVC/VTiC composite films with varied filler contents were prepared via solution cast. Different surface work functions of VTiC were confirmed via density functional theory (DFT) calculations. Compared with several polymer/symmetric monometallic MXene composites in our prior works, PVC/VTiC composites show simultaneously improved dielectric and breakdown properties. In later, high dielectric constant stems from cooperation of filler's asymmetry and polymer/filler interface polarization, and high breakdown strength is rooted in matrix's ultrahigh insulation. Optimized PVC/VTiC composite with 10 wt% filler possesses a high dielectric constant of ∼203, low dielectric loss of ∼0.13 at 100 Hz and high breakdown strength of ∼374 MV m−1 at direct-current field. Innovation of this work is use of asymmetric MXene filler for constructing polymer-based composite dielectrics with promising properties. This work might pave a road for large-scale preparation of advanced dielectrics for capacitors.
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