HO ClH·H2N
1、PBO聚合的制备
OH +
NH2·HCl
HOOC
COOH
DAR,213.06g/mol
PPA
N
P2O5
O
TA,166.13g/mol
N
+ 4 H2O + 2 HCl
O
n
PBO,234.21g/mol
72.06g/mol 72.92g/mol
其他聚合物的合成
2、石墨烯的制备及改性
石墨烯酰氯化
Graphite
HOOC
HOOC Oxidation
HOOC HOOC
HO
HO
COOH
O
OH O
O
O HO OH
HO O
OH
HO HOOC
O
单层的石墨烯为肉眼所见的透明材 料，透光率可达97.7%
石墨烯还兼具有质轻、比表面积大 (2600 m2/g)等特点
4、石墨烯制备方法
微机械剥离法
化学气相沉积法（Ni）
真空外延生长法（SiC） 化学氧化还原法
Graphite
HOOC
HOOC
Oxidation
HOOC HOOC
HO O
OH O O
O HO OH
O
O
Pc
O
O CN
CN CN CN
O
R
Pc =
R
RR
NNN N MN NNN
RR
Theodore Goodson, The Journal of Physical Chemistry B, 2006, 110: 14667-14672.
R
R
热分解温度>380℃ 介电常数k>48 介电损耗tanδ<0.01
目录
一
研究背景
二
三
技术路线
四
实验进展
五
进度安排
一、研究背景
电机
风能 发电
新能源 新材料
太阳能 发电
电子
混合动 力汽车
1、储能器件发展概况
电池
电容器
2、电容器储能介电材料
传统陶瓷
➢击穿强度低； ➢储能密度低； ➢密度大、脆性大； ➢加工温度高等
聚合物
➢轻质、柔韧； ➢储能密度高； ➢击穿轻度高； ➢易于大规模制造； ➢化学结构调节性能
N
N
O
O
n
材料
介电常数 (103Hz)
介电 损耗 (106Hz)
击穿强度 /(kV·mm-1)
电阻率 吸水率 热膨胀系 Tg /(Ω·cm) /(%) 数/(℃-1) /(℃)
PBO 2.7-2.9 ~0.01
>200
1016~1018 <0.5
-6×10-6 >300
调节介电常数和介电损耗，击穿强度 1、PBO的结构改性（调节主链共轭程度、
-
+
-
-
+-
+
--
-+
+ --
2
0E
02
3KT
E
+++++ - -+ ++
+++ -++
界面极化 - - - - - - - 由于界面两边的组分具有不同的极性或电导率，在电 场作用下将引起电荷在两相界面处聚集，从而产生极化。
5、聚合物介电性能温度依赖性
介电常数
介 电
击穿强度
损
耗
6、普通聚合物介电材料
O
宽频（102～106Hz） ～240℃保持稳定
OO NN
C n
聚杂萘联苯醚酮（PPEK）
Qing Wang, et al, Applied Materials and Interfaces, 2010, 2(5): 1286-1289.
2、PBO聚合物
PBO： 聚亚苯基苯并二噁唑 刚棒状高分子
6、石墨烯共价键功能化
基于环氧基团的反应
Huafeng Yang et al. Chem Commun. 2009(26): 3880-3882 Huafeng Yang, et al. J Mater Chem. 2009, 19: 4632-4638
6、石墨烯共价键功能化
基于羧基的反应
ROH
OH O
SOCl2 COOH
OH O
RNH2 COCl
OH O
OH O
COOR CONHR
RNH2
EDC/DCC
氧化石墨羧基的衍生反应
三、技术路线
PBO 高强，高模， 耐高温， 环境稳定性
Graphene 电学性能好 力学性能优
PBO 石墨烯复合材料
耐高温性能 导热率
热分解温度
介电性能 介电常数 介电损耗 击穿电压
5、石墨烯非共价键功能化
芘丁酸琥珀酰亚胺酯能够 通过π–π共轭吸附在石墨烯 表面。
共轭高分子磺化聚苯胺功 Y. X. Xu, H. Bai, et al, J. Am. Chem. Soc.,2008, 130, 5856
能化的石墨烯能够溶于水，
有很好的空气稳定性和电
化学活性。
H. Bai, et al,Chem. Commun., 2009,1667.
主链引入功能基团） 2、引入石墨烯等纳米导电填料
复合介电材料
聚合物
σ
导电填料（金属、炭黑、碳纳米管）
微观
介电薄层
微电容
渗流阈值
宏观
Vol%
金属颗粒
高介电
3、石墨烯结构与特性
电子的运动速度达到光速的1/300
石墨烯的拉伸模量(1.01 TPa)和极 限强度(116 GPa)与单壁碳纳米管 (SWCNT)相当
3、聚合物电介质与电性能
介电性能
1、交变电场中的介电性质
极化、松弛现象
ε’、 tanδ
2、弱电场中的电导性质或绝缘性
3、强电场中的电击穿 4、表面的静电摩擦现象等
电导、击穿现象
σ、 Eb
本体电导性能
4、电介质的极化
变形极化或诱导极化
1dE12
（电子极化、原子极化）
+ + ++
取向极化
+ -
+
+
+
寻找耐高温的宽频储能材料
玻璃化温度（Tg）较低
最大工作温度不超过 200℃
二、文献综述
1、共轭聚合物的介电性能研究
1965年 Pohl、Rosen 和Hartman 制备了多省醌 * 自由基（PARQ）聚合物，
*
介电常数240000
O
O
O
*
*
n
O
O
O
CN
CN O
O
O
Pc
O
O
O
O
O
Pc
O
O
O
O
O
Pc
材料
PPTA(Kevlar 49) PPTA(Kevlar 149)
PBZT PBO ABPBO
强度 (GPa)
3.3 2.7 3.1 3.6 3.1
模量 (GPa)
132 179 320 370 140
韧性 (伸长率％)
2.5 1.5 1.1 1.9 2.9
防弹衣 航天航空 体育器材 防火服 工业器材
OH
OH O O
O
O HO HO
HO
COOH
HO O
HO
HOOC
HO O
COOH
HOOC
HO
COOH
Sonication HOOC
COOH
HO
O O
O HO OH
`
COOH
Hale Waihona Puke HO OCOOHHO O
COOH
COOH
GraphiteOxide
GrapheneOxide(GO)
氧化石墨能够稳定分散在中性或碱性条件的水及极性溶 剂（如DMF、NMP）中，而在酸性介质中已沉淀的形式存 在。增加石墨烯在各种不同溶剂（特别是酸性介质）中的分 散性亟待解决。