Journal de génie électrique et de technologie électronique

Composites polymères-céramiques à nanostructure contrôlée avec interface améliorée

Douglas B. Chrisey

Les nanocomposites céramiques polymères avec une structure d'interface soigneusement conçue peuvent fournir une densité énergétique élevée (~ jusqu'à 22 J/cm ³ ) nécessaire à la prochaine génération de condensateurs diélectriques pour le stockage d'énergie à grande échelle. Nous avons préparé une matrice polymère thiol-ène à partir d'un mélange de monomères thiol et alcène en utilisant une méthode de durcissement photonique à grande échelle. Les monomères de pentaérythritoltétrakis (3-mercaptopropionate), 2,4,6 triallyloxy-1,3,5-triazine et 1,3-diisopropénylbenzène subissent  des réactions de clic et polymérisent à l'aide d'un processus à médiation radicalaire. Lorsque des nanoparticules de titanate de baryum à surface modifiée (~ 100 nm) sont incorporées dans le mélange de monomères, ces particules cliquent également avec les monomères pour former un matériau nanocomposite.

Les nanoparticules de titanate de baryum sont conçues en surface en utilisant un processus en trois étapes : hydroxylation, silanisation et greffage de monomère. Un silane à extrémité alcène (3-Acryloxypropyltriméthoxysilane) est utilisé pour la silanisation et des monomères thiol sont greffés à partir des extrémités alcène. Les radicaux lors de la préparation des nanocomposites sont formés par activation de monomères thiol par des impulsions lumineuses intenses provenant d'une lampe flash au xénon, éliminant ainsi la nécessité d'un photoinitiateur dans l'étape finale. De plus, la composition des matériaux dans ce travail est conçue pour correspondre au rapport stœchiométrique des extrémités fonctionnelles thiol et alcène. La liaison covalente formée à l'interface et la dispersion améliorée résultant de l'effet combiné du silane et du monomère greffé donnent des nanocomposites aux propriétés améliorées. Les nanocomposites résultants présentent une densité énergétique aussi élevée que 22 J/cm ³  même à une faible charge de nanoparticules tandis que la perte diélectrique est maintenue en dessous de 0,2. Adapter la structure de l'interface au niveau nanométrique pour obtenir les propriétés souhaitées est une tâche difficile. Cela peut être encore plus difficile lorsque l'adaptation doit être effectuée en parallèle lors de la préparation de nanocomposites à grande échelle en utilisant une méthode rentable. Le processus de durcissement photonique utilisé dans ce travail est une méthode rapide, à haut débit et adaptée au roulage. Cette étude fournit une voie facile vers une méthode à l'échelle industrielle pour la production de nanocomposites à haute densité énergétique.