聚合物因其高功率密度、高耐电强度和柔韧易加工等优点，在新能源汽车、可穿戴电子设备和脉冲电源等领域发挥着重要的作用^[1]。近年来，电子器件和电气设备小型化、集成化、高性能化和高可靠性的发展趋势，对聚合物电介质材料的储能和导热性能提出了更高的要求。然而，聚合物材料的相对介电常数通常较低，致使其储能密度有限。另一方面，声子是聚合物电介质材料中的主要导热载体，然而聚合物结构中的无序和缺陷会造成大量的声子散射，致使聚合物普遍热导率较低，易产生热量累积^[2]。

添加高介电常数陶瓷填料，如钛酸钡(BaTiO₃)^[3]、钛酸锶钡^[4]、钛酸铜钙^[5]等是提高聚合物介电常数的有效策略之一。相较于BaTiO₃纳米颗粒，BaTiO₃纤维(BaTiO₃ NFs)具有高长径比，较低的填充量就可以有效提升复合材料的介电性能。Tang等^[6]研究BaTiO₃形貌对聚(偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯)(P(VDF-TrFE-CFE))介电性能的影响，BaTiO₃ NFs含量为17.5vol%时，复合材料在1 kHz的介电常数达到69.5，是添加30vol%BaTiO₃颗粒的复合材料介电常数的1.34倍。但是，聚合物基体与BaTiO₃之间介电常数差异大，往往会引起电场畸变，使复合材料击穿场强降低。对填料进行核壳结构设计可以提高其与聚合物基体之间的相容性，减少介电错配对复合材料介电性能的影响^[7]。Pan等^[8]采用同轴静电纺丝法制备表面包覆聚多巴胺的钛酸钡纤维(BaTiO₃-PDA NFs)，相同填料含量下，BaTiO₃-PDA NFs/PVDF复合材料介电常数和击穿场强均高于BaTiO₃ NFs/PVDF复合材料，介电损耗和电导率则介于PVDF和BaTiO₃ NFs/PVDF复合材料之间。Liu等^[9]通过溶胶凝胶法在BaTiO₃ NFs表面包覆氧化铝(BaTiO₃@Al₂O₃ NFs)，在填料含量2.5vol%时，相较于BaTiO₃ NFs/PVDF复合材料，虽然BaTiO₃@Al₂O₃ NFs/PVDF的介电常数略有下降，但击穿场强提高了约20%，达到380 kV/mm，储能密度为7.1 J/cm³。

聚合物基复合材料介电常数的提高往往伴随着介电损耗的增大，介电损耗产生的热量若不能及时消散，将会加速材料的热分解和热老化。六方氮化硼(h-BN)具有和石墨烯相似的二维片层结构，表现出优良的导热性能，经剥离的氮化硼纳米片(BNNS)的理论热导率可达1700~2000 W/(m·K)，广泛应用于填充型导热聚合物材料的制备，其通过在聚合物基体中构建导热路径，提升聚合物基复合材料的导热性能^[10]。吴加雪等^[11] 研究发现以片状h-BN和四针状氧化锌晶须(T-ZnOw)为混合填料更有利于形成连续的导热路径，获得的双酚A环氧树脂(EP)复合材料的热导率均高于相同填料含量的单一填充h-BN的复合材料的热导率。使用30wt%h-BN和5wt%T-ZnOw复合填充时，h-BN-T-ZnOw/EP复合材料的热导率达到0.55 W/(m·K)，相较于EP和35wt%h-BN/EP分别提升了189%和20%。除增强声子传输提升导热性能外，氮化硼还能阻碍载流子的迁移，改善复合材料的绝缘性能^[12]。Duan等^[13]通过十八烷基异氰酸酯改性BNNS，增强填料与聚间苯二甲酰间苯二胺(PMIA)间的相互作用，提高了填料在PMIA的分散性，获得了复合材料的击穿和导热性能的协同提升，当改性BNNS含量为12wt%时，PMIA复合材料的击穿场强和导热系数分别达到105.6 kV/mm和0.84 W/(m·K)，是PMIA基体的1.34和3.65倍，同时介电损耗保持在较低的水平。

本文分别采用静电纺丝法制备负载氧化铝颗粒的钛酸钡(Al₂O₃@BaTiO₃)纤维和高温煅烧法制备羟基化的BN纳米片。将二者与PVDF溶液共混并流延热压，获得BN和Al₂O₃@BaTiO₃纤维共同填充的PVDF基复合材料(BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF)。研究了BN和Al₂O₃@BaTiO₃纤维协同作用对复合材料对形貌结构、力学、介电、击穿和导热性能的影响，为获得兼具高介电、高击穿和高导热的聚合物基复合介电材料提供了思路和方法。

1.   实验部分

1.1   原材料

聚偏氟乙烯(PVDF)，工业级，东莞市展阳高分子材料有限公司；六方氮化硼(h-BN，5~10 µm)、Al₂O₃(30 nm)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，均为分析纯，上海麦克林生化科技有限公司；醋酸钡(Ba(CH₃COO)₂)，分析纯，天津市光复精细化工研究所；钛酸四丁酯(Ti(OC₄H₉)₄)，分析纯，天津市百伦斯生物技术有限公司；冰醋酸(CH₃COOH)，分析纯，天津市恒兴化学试剂制造有限公司；乙酰丙酮(CH₃COCH₂COCH₃)，分析纯，天津市大茂化学试剂厂；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，分析纯，天津市富宇精细化工有限公司。

1.2   Al₂O₃@BaTiO₃纤维的制备

采用HD-2335型静电纺丝机(北京永康乐业科技发展有限公司)制备Al₂O₃@BaTiO₃纤维，过程如图1(a)所示。分别将3 g醋酸钡溶于20 mL冰醋酸，5 g钛酸四丁酯溶于3 mL乙酰丙酮，然后于室温下将二者混合并搅拌1 h，再加入0.376 g Al₂O₃粒子并搅拌1 h，继续将0.717 g PVP加入上述分散液，得到黄色纺丝液进行静电纺丝。工艺参数如下：电压为16 kV，金属针头距收集器距离为20 cm，纺丝液推进速度为0.6 mL/min，收集器转速为100 r/min。将收集到的纤维置于马弗炉700℃空气氛围中煅烧1 h，自然冷却至室温后得到Al₂O₃@BaTiO₃纤维。

图  1  Al₂O₃@BaTiO₃纤维 (a) 和BN-Al₂O₃@BaTiO₃/聚偏氟乙烯(PVDF) (b) 复合材料的制备过程示意图

Figure  1.  Schematic diagrams of preparation process of Al₂O₃@BaTiO₃ fibers (a) and BN-Al₂O₃@BaTiO₃/polyvinylidene fluoride (PVDF) composites (b)

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1.3   BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF复合材料的制备

采用溶液共混制备BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF复合材料，过程如图1(b)所示。将h-BN在1000℃空气氛围煅烧1 h，自然冷却后取0.2 g BN纳米片与一定量Al₂O₃@BaTiO₃纤维分散于36 mL DMF中并超声1 h，再加入4 g PVDF，80℃下搅拌3 h后流延成膜。然后在170℃、10 MPa下热压20 min，得到BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF复合材料。其中BN质量分数固定为5wt%，Al₂O₃@BaTiO₃纤维质量分数分别为0wt%、5wt%、10wt%、15wt%和20wt%，所得复合材料依次记为BN/PVDF、BN-5Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF、BN-10Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF、BN-15Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF和BN-20Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF(表1)。

表  1  BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF复合材料的命名

Table  1.  Naming of BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF composite

Sample	BN/wt%	Al2O3@BaTiO3/wt%
BN/PVDF	5	0
BN-5Al2O3@BaTiO3/PVDF	5	5
BN-10Al2O3@BaTiO3/PVDF	5	10
BN-15Al2O3@BaTiO3/PVDF	5	15
BN-20Al2O3@BaTiO3/PVDF	5	20

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1.4   测试与表征

使用美国赛默飞世尔科技公司的NicoletIs10傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)对样品的化学结构进行表征。采用日本Rigaku公司的D/MAX-3 BX粉末X射线衍射仪(XRD)对样品的晶相结构进行表征，Cu Kα作为射线源，扫描速度为5°/min，扫描范围10°~70°，管电压40 kV，管电流40 mA。样品表面喷金后，通过日本Hitachi公司的SU8020扫描电子显微镜(SEM)观察样品形貌，加速电压为20 kV。使用日置电机株式会社的HIOKI3532-50LCR宽频介电阻抗谱仪在10²~10⁷ Hz范围内测定介电常数、介电损耗和电导率，测试前在样品表面真空蒸镀Al电极。使用中国长盛公司的CS2674B电击穿场强测试仪评估击穿场强，每种样品收集10个测试值，并采用Weibull分布分析材料的击穿场强数据。使用日本岛津株式会社的AGS-J10万能试验机，按照GB/T 1040.3—2006^[14]标准进行力学性能测试，每组样品测试5个样条，取平均值。使用上海耐驰公司的LFA-447激光导热系数仪，根据ASTME-1461标准^[15]测量材料的热导率，测试样品直径为12.7 mm，厚度为1 mm。

2.   结果与讨论

2.1   填料的结构与形貌

利用SEM对Al₂O₃@BaTiO₃纤维的形貌和元素分布进行表征。图2(a)和图2(b)分别为静电纺Al₂O₃@BaTiO₃纤维煅烧前后的SEM图像。可以看到静电纺Al₂O₃@BaTiO₃纤维表面光滑，尺寸较均一，用Nano Measurer软件测量得到平均直径为232 nm，观察视野内均为连续的纤维，纤维长度可达10至数十微米。煅烧过程中，纤维中有机成份分解，同时BaTiO₃晶粒快速生长导致晶间断裂，使煅烧后的Al₂O₃@BaTiO₃纤维表面变得相对粗糙，平均直径减少至179 nm，长度明显减少至1~3 μm。进一步对比观察图2(c)和图2(d)的Al、Ba能谱元素分布图。可以看到Al₂O₃颗粒较均匀分布在BaTiO₃纤维中。

图  2  静电纺Al₂O₃@BaTiO₃纤维前驱体 (a) 和Al₂O₃@BaTiO₃纤维 (b) 的SEM图像(内嵌直径分布)；Al (c) 和Ba (d) 的EDS分布图

Figure  2.  SEM images with insert diameter distribution of as-electrospun Al₂O₃@BaTiO₃ fibers (a) and Al₂O₃@BaTiO₃ fibers (b); EDS mapping images of Al (c) and Ba (d)

D—Average diameter

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图3(a)和图3(b)为h-BN和BN纳米片的SEM图像。可以看到堆积紧密的h-BN经过煅烧被剥离为较薄的BN纳米片。较厚的h-BN在水中分散性差、易沉淀(图3(a')和图3(a''))；高温煅烧过程中，B—N键断裂，为羟基化改性提供了活性位点，羟基的引入和较薄的片层结构使BN纳米片在水中表现出较好的分散性和稳定性，静置24 h无明显沉淀，且在激光笔的照射下，均表现出明显的丁达尔效应(图3(b')和图3(b''))。

图  3  h-BN (a) 和BN (b) 的SEM图像；h-BN ((a'), (a'')) 和BN ((b'), (b'')) 静置24 h前后的水分散液数码照片

Figure  3.  SEM images of h-BN (a) and BN (b); Digital photographs of h-BN ((a'), (a'')) and BN ((b'), (b'')) aqueous dispersion before and after standing for 24 h

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采用FTIR对煅烧前后的Al₂O₃@BaTiO₃纤维、h-BN和BN纳米片的化学结构进行表征，结果如图4所示。在静电纺Al₂O₃@BaTiO₃纤维的FTIR图谱中，3320 cm⁻¹处出现较宽的—OH伸缩振动峰，1656 cm⁻¹对应于PVP酰胺I带的吸收峰，1402 cm⁻¹为—CH₂的弯曲振动峰，Ti—O和Al—O的特征吸收峰出现在530~700 cm⁻¹处^[16-17]。经过高温煅烧，水分脱除和有机物分解使—OH和PVP特征峰消失，煅烧后的Al₂O₃@BaTiO₃纤维只在1440 cm⁻¹和530~700 cm⁻¹处出现对应于酸根C—O^[18]和Ti—O及Al—O的特征吸收峰。h-BN的FTIR图谱在1381 cm⁻¹和783 cm⁻¹处出现吸收峰，对应于B—N的伸缩振动和弯曲振动，剥离后的BN纳米片带有羟基，在3194 cm⁻¹和1199 cm⁻¹处出现了—OH和B—O的伸缩振动峰^[19]。

图  4  Al₂O₃颗粒、静电纺Al₂O₃@BaTiO₃纤维前驱体、Al₂O₃@BaTiO₃纤维、h-BN和BN纳米片的FTIR图谱

Figure  4.  FTIR spectra of Al₂O₃, as-electrospun Al₂O₃@BaTiO₃ fibers, Al₂O₃@BaTiO₃ fibers, h-BN and BN nanosheets

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2.2   BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF复合材料的结构与形貌

利用SEM观察PVDF基复合材料的断面形貌，结果如图5所示。从图5(a)中可以看到，当只添加5wt% BN纳米片而未添加Al₂O₃@BaTiO₃纤维时，BN纳米片零散地分布在断面光滑平整的PVDF基体中，相互之间并未搭接。从图5(b)~5(e)中可以看到，当加入Al₂O₃@BaTiO₃纤维的含量较少时，其在聚合物基体内分布均匀，随着含量的增加，高长径比的一维Al₂O₃@BaTiO₃纤维充当“桥梁”作用，桥接相互独立的二维BN纳米片，在聚合物基体中构建了导热通路，有助于复合材料热导率的提升。但Al₂O₃@BaTiO₃纤维含量过高时易团聚，可能对复合材料的力学性能和介电性能产生不利影响。

图  5  不同Al₂O₃@BaTiO₃含量的BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF复合材料的断面SEM图像：(a) 0wt%；(b) 5wt%；(c) 10wt%；(d) 15wt%；(e) 20wt%

Figure  5.  Cross-sectional SEM images of BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF composites with different content of Al₂O₃@BaTiO₃: (a) 0wt%; (b) 5wt%; (c) 10wt%; (d) 15wt%; (e) 20wt%

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采用XRD对PVDF基复合材料进行结构分析，结果如图6所示。对于纯PVDF，在2θ为18.4°和20.3°的衍射峰分别对应于α相的(020)和β相的(110)晶面。加入BN纳米片后，BN/PVDF在26.1°出现对应于(002)晶面的衍射峰^[20]。当采用BN纳米片和Al₂O₃@BaTiO₃纤维复合填充时，除上述衍射峰外，复合材料还在22.1°、31.5°、38.8°、45.1°、50.6°、56.1°和65.9°出现BaTiO₃的(100)、(110)、(111)、(200)、(210)、(211)和(202)的衍射峰^[21]，在23.9°出现Al₂O₃的(021)晶面衍射峰。此外，在BN/PVDF和BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF复合材料中，20.3°的衍射峰较纯PVDF明显增强，表明填料能够促进PVDF的β相的形成。

图  6  BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF复合材料的XRD图谱

Figure  6.  XRD patterns of BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF composites

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2.3   BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF复合材料的力学性能

图7是BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF复合材料的应力-应变曲线。纯PVDF的拉伸强度和断裂伸长率分别为37.21 MPa和8.82%。由于BN表面的羟基和PVDF之间能够形成氢键，增强界面相互作用的同时限制了分子链的运动，从而使BN/PVDF的拉伸强度达到33.71 MPa，断裂伸长率降至5.33%。BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF的拉伸强度和断裂伸长率则均表现出先升高后降低的趋势，如BN-5Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF和BN-10Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF的拉伸强度分别增加至41.23 MPa和42.91 MPa，较纯PVDF提高了10.8%和15.3%，较BN/PVDF提高22.3%和27.3%，这是由于高长径比纤维的加入能够有效桥接PVDF基体和BN纳米片，传递和承受部分载荷，保证了复合材料力学性能的提升。但随着Al₂O₃@BaTiO₃含量的继续增加，纤维在聚合物基体中团聚致使缺陷产生(图5(d)和图5(e))，应力集中导致BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF复合材料力学性能有所下降。

图  7  BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF复合材料的应力-应变曲线

Figure  7.  Stress-strain curves of BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF composites

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2.4   BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF复合材料的介电性能

对BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF复合材料进行宽频介电测试，结果如图8所示。h-BN具有较低的介电常数(ε_r=3~5)和较宽的禁带(E_g=4~6 eV)，且经剥离羟基化后可与PVDF基体形成氢键从而限制聚合物分子链的转向^[22]，故BN/PVDF复合材料的介电常数、介电损耗和电导率均低于纯PVDF。从图8(a)中可以看到，加入Al₂O₃@BaTiO₃纤维后，复合材料的介电常数高于纯PVDF，且随着Al₂O₃@BaTiO₃纤维含量的增加而增大，在1 kHz时BN-5Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF的介电常数提升至12.1，BN-20Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF复合材料的介电常数最大达到25.8，分别是纯PVDF的44.0%和207.1%。对于BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF复合材料，其介电常数的提升源于Al₂O₃@BaTiO₃纤维的结构设计。首先，BaTiO₃是高介电常数材料；其次，高长径比的纤维填料具有更大的偶极矩；另外，BaTiO₃纤维中的Al₂O₃颗粒极大地增加了界面面积，界面极化的增多使复合材料的介电常数进一步提升。

图  8  BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF复合材料的介电常数 (a)、介电损耗 (b) 和电导率 (c)

Figure  8.  Dielectric constant (a), dielectric loss (b) and conductivity (c) of BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF composites

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电介质材料的介电损耗主要由电导电流、转向极化和界面极化引起。对于BN-Al₂O₃@BaTiO₃填充的PVDF复合材料的介电损耗(图8(b))，在10²~10⁴ Hz低频范围内，复合材料中转向极化能够完全建立，以界面极化损耗为主，随着频率的升高，界面极化终将完全跟不上电场的变化，复合材料的介电损耗降低；在10⁴~10⁷ Hz高频范围内，偶极子转向开始逐渐落后于电场频率的变化，导致大量能量被消耗，复合材料的介电损耗随频率增加而增大^[23]。此外，虽然随着Al₂O₃@BaTiO₃纤维含量的增加，电导损耗和极化损耗增大，但在BN的协同作用下BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF复合材料的介电损耗在整个频率范围内均保持在较低的水平。从图8(c)中可以看到，所有材料的电导率均具有强烈的频率依赖性，随频率的增加呈线性增长，而且由于BN能够有效抑制载流子的运动，除BN-20Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF外，所有复合材料的电导率均低于纯PVDF，表现出优异的绝缘性能。

2.5   BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF复合材料的击穿强度

击穿强度是电介质的基本电性能之一，其决定了电介质材料在电场作用下保持绝缘性能的极限能力。采用双参数威布尔分布函数对BN/PVDF和BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF复合薄膜的直流击穿场强进行分析，结果如图9所示，其中E_b为累积失效概率63.2%的击穿场强，β为形状参数，与数据的分散程度成反比。可以看到，纯PVDF的E_b为104.4 kV/mm，单独添加5 wt% BN后，BN/PVDF复合材料的E_b达到216.5 kV/mm，较纯PVDF提高了107%，这源于BN本身优异的绝缘性能及与聚合物基体较强的界面相互作用。当BN和Al₂O₃@BaTiO₃共同填充时，BN-5Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF复合材料的E_b进一步提升至253.9 kV/mm，分别是BN/PVDF和纯PVDF的1.17和2.43倍，此时的β值也达到最大，表明数据分散程度小、可靠性好。BN和Al₂O₃@BaTiO₃协同提高PVDF基复合材料击穿场强的机制如图9(b)所示。一维纤维和二维纳米片在聚合物基体中均倾向于沿着面内方向，即垂直电场方向排布，能够起到物理屏障的作用，阻碍电荷输运并减少漏电流^[24]。另一方面，Al₂O₃@BaTiO₃纤维“桥接”BN纳米片形成的导热通路为高电场下产生的焦耳热提供了快速耗散路径，避免了复合材料因热失控而导致的过早击穿。此外，Al₂O₃颗粒的引入能够缓解BaTiO₃纤维和PVDF基体之间介电错配，避免因电场畸变而引起的击穿场强下降。虽然随着Al₂O₃@BaTiO₃含量的继续增加，纤维的团聚会使复合材料材料内部产生缺陷和空隙，导致BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF复合材料击穿场强逐渐下降，但仍高于纯PVDF。

图  9  BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF复合材料的Weibull击穿强度分布图 (a) 和击穿机制示意图 (b)

Figure  9.  Weibull breakdown strength distribution (a) and breakdown mechanism diagram (b) of BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF composites

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2.6   BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF复合材料的导热性能

BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF复合材料的热导率和热导率增长因子如图10所示。PVDF是良好的电绝缘体和热绝缘体，热导率仅为0.1778 W/(m·K)。添加5 wt%高导热填料BN后，热导率提升至0.389 W/(m·K)，但由于较少的BN被包裹于PVDF基体中，难以相互接触，声子在界面散射损耗。在BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF复合材料中，纤维中的Al₂O₃颗粒具有较高的导热系数(~30 W/(m·K))，同时Al₂O₃@BaTiO₃纤维能够桥接分散的BN，多维形貌的导热填料之间产生协同效应，使填料与基体间的界面热阻降低，此时声子沿复合材料中热阻最小的路径^[25]，即导热填料组成的导热通路传输热量，如图9(b)所示。仅添加5wt%纤维，BN-5Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF的热导率就大幅提升至0.508 W/(m·K)，相比纯PVDF提高了185.4%，热导率随Al₂O₃@BaTiO₃纤维含量的增加而继续增大，BN-20Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF复合材料的热导率达到0.571 W/(m·K)，相比BN/PVDF和纯PVDF提高了46.8%和221%。

图  10  BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF复合材料的热导率 (a) 和热导率增长因子(TCEF) (b)

Figure  10.  Thermal conductivity (a) and thermal conductivity enhancement factor (TCEF) (b) of BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF composites

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热导率增长因子(TCEF)能够定量反映复合材料导热性能的变化，计算公式如下:

其中，${\lambda }_{{\rm{c}}}$和${\lambda }_{{\rm{m}}}$分别为复合材料和基体的热导率。

从图10(b)中可以看出，只要加入5wt%的Al₂O₃@BaTiO₃纤维，TCEF就大幅提高，表明高长径比纤维桥接片状BN的有效性，但过多的Al₂O₃@BaTiO₃纤维易发生团聚(图5(d)和图5(e))，在基体中分散不均形成缺陷，使声子传递受阻，导致复合材料的热导率增速放缓。

表2综合对比了不同聚合物复合材料的介电常数、击穿场强和热导率的增长因子。可以看到本研究可以在较低的填料含量下，明显协同提升材料的介电和导热性能。

表  2  不同聚合物基复合材料的介电常数、击穿场强和热导率的增长对比

Table  2.  Comparison of enhancement in dielectric constant, breakdown strength and thermal conductivity of different polymer composites

Materials	εr enhancement /%	Eb enhancement /%	TCEF /%	Ref.
5wt%BN-5wt%Al2O3@BaTiO3 NFs/PVDF	44.0	143.2	185.4	This work
3vol%BN/PVDF	<0	59.8	271.4	[12]
20wt%BN@PDA@Al2O3/PI	26.9	71.7	400.0	[17]
6wt%BN-1.5wt%GO/PEN	94.1	<0	9.41	[20]
12wt%D@BTW-fBNNSs/PMIA	46.7	17.5	114.5	[24]
50wt%BN-VTMS/SR	~14.8	46.9	156.0	[26]
5wt%Al2O3/regenerated cellulose	~12.5	21.9	534.3	[27]
Notes: εr, Eb and TCEF—Dielectric constant, breakdown strength and thermal conductivity enhancement factor of polymer composites, respectively; D@BTW-fBNNSs/PMIA—Polydopamine@barium titanate nanowires-octadecyl isocyanate functionalized boron nitride nanosheets/poly(m-phenyleneisophthalamide); PDA—Polydopamine; PI—Polyimide; GO—Graphene oxide; PEN—Poly(arylene ether nitrile); VTMS—Vinyl trimethoxysilane; SR—Silicone rubber.

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3.   结 论

(1) 采用高温煅烧获得的羟基化氮化硼纳米片(BN)和静电纺丝法制备的负载氧化铝颗粒的钛酸钡纤维(Al₂O₃@BaTiO₃)协同改性聚偏氟乙烯(PVDF)复合材料。适量Al₂O₃@BaTiO₃纤维能够有效桥接BN纳米片，复合材料的拉伸强度随Al₂O₃@BaTiO₃纤维含量的增加而先增大后减小。

(2) BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF复合材料保持良好的绝缘性能，介电常数随着Al₂O₃@BaTiO₃含量的增加而增大，BN-20Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF在1 kHz时的介电常数为25.8。Al₂O₃@BaTiO₃含量为5wt%时，BN-Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF复合材料的击穿场强最大，达到253.9 kV/mm，分别是BN/PVDF和纯PVDF的1.17和2.43倍。

(3) 复合掺杂BN和Al₂O₃@BaTiO₃所构成的导热通路提升了复合材料导热性能，BN-20Al₂O₃@BaTiO₃/PVDF复合材料导热系数为0.571 W/(m·K)，相比BN/PVDF和纯PVDF提高了46.8%和221%。