La stampa 3D di nanocompositi polimerici anisotropi con nanofili di BaTiO 3 allineati per una maggiore densità energetica

Stampa 3D: nanocompositi polimerici anisotropi con nanofili BaTiO3 allineati

Ricercatori cinesi e britannici approfondiscono l’area dei compositi per l’uso nel campo dell’energia, rilasciando i loro risultati nella recente stampa 3D dei nanocompositi polimerici anisotropi con nanofili BaTiO 3 allineati per una maggiore densità energetica .

In questo studio, gli autori hanno sviluppato nanocompositi poli (vinilidene fluoruro-clorotrifluoroetilene) (P (VDF – CTFE)) flessibili ad alte prestazioni con nanofili BaTiO 3 allineati utilizzando la stampa 3D. Come la stampa 3D ha continuato a fare enormi impatti nel mondo dell’industria, dai automobilistica e corsa al settore aerospaziale per la costruzione dei settori -Altri come l’accumulo di energia sono in via di miglioramento anche grazie all’utilizzo di nuovi materiali, la capacità di produrre tecnologie complesse, una maggiore convenienza, velocità e altro ancora.

I principali materiali utilizzati nella ricerca sono stati i seguenti:

Polveri di ossido di titanio (TiO 2 , anatasi, purezza del 99,9%)
Sodio idrossido (NaOH, purezza 96%)
Bario idrossido ottaidrato (Ba (OH) 2 8H 2 O, purezza 99,9%)
Soluzione di acido cloridrico (HCl, 37% in peso)
Solvente di dimetilformammide (DMF, purezza 99,5%)
“I nanofili BaTiO 3 sono stati sintetizzati con un metodo idrotermico secondo il lavoro precedente. Innanzitutto, 1.446 g di TiO 2 sono stati aggiunti a 70 ml di soluzione NaOH (10 M) e la miscela è stata agitata per 2 ore per formare una sospensione omogenea “, hanno concluso i ricercatori. “Le reazioni idrotermali sono state eseguite a 210 ° C sotto una pressione generata automaticamente per 24 ore in un’autoclave rivestita in teflon da 100 ml. I prodotti Na 2 Ti 3 O 7 sono stati lavati con acqua distillata e quindi immersi in una soluzione di HCl 0,2 M diluita per 4 ore per ottenere nanofili di titanio idrogeno (H 2 Ti 3 O 7 ). In secondo luogo, 0,150 g H 2 Ti 3 O 7 sono stati dispersi in 70 ml di Ba (OH) 2 · 8H 2 O soluzione (0,1 M) e la miscela è stata sonicata per 10 minuti.

“Le reazioni idrotermali sono state condotte a 210 ° C sotto pressione generata automaticamente per 24 ore in un’autoclave rivestita in teflon da 100 ml. I prodotti sono stati immersi brevemente in una soluzione di HCl 0,2 M, quindi lavati più volte con acqua distillata ed essiccati a 80 ° C in un forno. “

Sono stati creati campioni di nanocompositi, con frazioni di volume di BaTiO 3 di nanofili del 2,5, 5,0 e 7,5%.

Allineamento dei nanofili BaTiO3 nei nanocompositi: fotografie di (a) il gruppo di stampa e (b) un campione di nanocomposito stampato; illustrazioni schematiche di (c) allineamento di nanofili BaTiO3 nella matrice P (VDF – CTFE) e (d) un condensatore nanocomposito per applicazioni di accumulo di energia.

Durante l’estrusione, i nanofili BaTiO 3 sono allineati parallelamente a causa dell’ambiente ad alto taglio.

a) immagine SEM di nanofili BaTiO3; (b) immagine HRTEM di un singolo nanofilo BaTiO3; (c) immagini SEM e (d) POM di nanocompositi preparati mediante stampa 3D con nanofili BaTiO3 allineati al 5% in volume.

Vari caricamenti di nanofili BaTiO 3 sono stati fabbricati tramite scrittura diretta 3D per il confronto con gli altri campioni realizzati in modo convenzionale.

“La permittività dei nanocompositi con nanofili BaTiO 3 allineati è inferiore a quella dei nanocompositi con nanofili BaTiO 3 casuali “, hanno affermato i ricercatori. “Ad esempio, quando i carichi di nanofili BaTiO 3 casuali sono 2,5, 5,0 e 7,5 vol%, la permittività dei nanocompositi con nanofili BaTiO 3 casuali è rispettivamente 14, 15,5 e 21,5, mentre la permittività dei nanocompositi con BaTiO 3 allineato i nanofili sono rispettivamente 12, 14 e 17,5 ”.

Dipendenza dalla frequenza di (a) permittività dielettrica relativa e (b) perdita dielettrica di nanocompositi BaTiO3 / P (VDF – CTFE) con nanofili BaTiO3 allineati, (c) permittività dielettrica relativa di nanocompositi con nanofili BaTiO3 distribuiti casualmente; (d) permittività dielettrica relativa dei nanocompositi in funzione della frazione di volume a 1 kHz.

È stato osservato che la polarizzazione della saturazione ha accelerato con l’aumento del carico di BaTiO 3 a causa dell’elevata permittività dei riempitivi e della polarizzazione interfacciale.

“La densità di energia scaricata di tutti i compositi è simile a campo basso, ma a campo alto aumenta con l’aumentare del livello di carico. La massima densità di energia raggiunta nei nanocompositi con nanofili BaTiO 3 allineati è stata di 14,52 J cm −3 per il campione con carico del 5,0% vol, che è del 55% superiore a quella del nanocomposito con nanofili BaTiO 3 allineati in modo casuale allo stesso livello di carico, ” hanno concluso i ricercatori. “I risultati hanno mostrato che il composito con 5,0 volt% BaTiO 3 nanofili ottiene il punto di equilibrio, che ha contemporaneamente raggiunto un’elevata polarizzazione e resistenza alla rottura.”

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