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Enhanced dielectric properties of three phase dielectric MWCNTs/BaTiO 3 /PVDF nanocomposites for energy storage using fused deposition modeling 3D printing
Ceramics International ( IF 5.2 ) Pub Date : 2018-06-01 , DOI: 10.1016/j.ceramint.2018.02.107
Hoejin Kim , Jeffrey Johnson , Luis A. Chavez , Carlos A. Garcia Rosales , Tzu-Liang Bill Tseng , Yirong Lin

Abstract This research studied the effect of fused deposition modeling (FDM) 3D printing on three phase dielectric nanocomposites using poly(vinylidene) fluoride (PVDF), BaTiO3 (BT), and multiwall carbon nanotubes (CNTs). PVDF polymer and BT ceramics are piezo-, pyro- and di-electric materials extensively used for sensor and energy storage/harvesting applications due to their unique characteristic of dipole polarization. To increase dielectric property, CNTs have been recently utilized for uniform dispersion of BT nanoparticles, ultrahigh polarization density, and local micro-capacitor among matrix. It was proved that 3D printing process provides homogeneous dispersion of nanoparticles, alleviating agglomeration of nanoparticles and reducing micro-crack/voids in matrix which can potentially enhance their dielectric property than traditional methods. In this research, these three-phase nanocomposites are fabricated through FDM 3D printing process and characterized for dielectric property. Increasing both BT and CNT nanoparticles improves dielectric properties, while CNTs have a percolation threshold near 1.7 wt%. The most desirable combination of dielectric constant and loss properties (118 and 0.11 at 1 kHz) is achieved with nanocomposites containing 1.7 wt%-CNT/45 wt%-BT/PVDF. These results provide not only a technique to 3D print dielectric nanocomposites with improved dielectric property but also large-scale electronic device manufacturing possibility with freedom of design, low cost, and faster process.

中文翻译:

使用熔融沉积建模 3D 打印增强三相电介质 MWCNTs/BaTiO 3 /PVDF 纳米复合材料的介电性能,用于储能

摘要 本研究研究了熔融沉积建模 (FDM) 3D 打印对使用聚偏二氟乙烯 (PVDF)、BaTiO3 (BT) 和多壁碳纳米管 (CNT) 的三相介电纳米复合材料的影响。PVDF 聚合物和 BT 陶瓷是压电、热释电和介电材料,由于其独特的偶极极化特性,广泛用于传感器和能量存储/收集应用。为了提高介电性能,碳纳米管最近已被用于 BT 纳米颗粒的均匀分散、超高极化密度和基体之间的局部微电容器。事实证明,3D 打印过程提供了纳米粒子的均匀分散,减轻纳米颗粒的团聚并减少基质中的微裂纹/空隙,这可能比传统方法提高它们的介电性能。在这项研究中,这些三相纳米复合材料是通过 FDM 3D 打印工艺制造的,并具有介电特性。增加 BT 和 CNT 纳米粒子可改善介电性能,而 CNT 的渗透阈值接近 1.7 wt%。最理想的介电常数和损耗特性组合(1 kHz 时为 118 和 0.11)是通过含有 1.7 wt%-CNT/45 wt%-BT/PVDF 的纳米复合材料实现的。这些结果不仅提供了一种具有改进介电性能的 3D 打印介电纳米复合材料的技术,而且还提供了具有设计自由度、低成本和更快工艺的大规模电子设备制造的可能性。这些三相纳米复合材料是通过 FDM 3D 打印工艺制造的,并具有介电特性。增加 BT 和 CNT 纳米颗粒可提高介电性能,而 CNT 的渗透阈值接近 1.7 wt%。最理想的介电常数和损耗特性组合(1 kHz 时为 118 和 0.11)是通过含有 1.7 wt%-CNT/45 wt%-BT/PVDF 的纳米复合材料实现的。这些结果不仅提供了一种具有改进介电性能的 3D 打印介电纳米复合材料的技术,而且还提供了具有设计自由度、低成本和更快工艺的大规模电子设备制造的可能性。这些三相纳米复合材料是通过 FDM 3D 打印工艺制造的,并具有介电特性。增加 BT 和 CNT 纳米颗粒可提高介电性能,而 CNT 的渗透阈值接近 1.7 wt%。最理想的介电常数和损耗特性组合(1 kHz 时为 118 和 0.11)是通过含有 1.7 wt%-CNT/45 wt%-BT/PVDF 的纳米复合材料实现的。这些结果不仅提供了一种具有改进介电性能的 3D 打印介电纳米复合材料的技术,而且还提供了具有设计自由度、低成本和更快工艺的大规模电子设备制造的可能性。而 CNT 的渗透阈值接近 1.7 wt%。最理想的介电常数和损耗特性组合(1 kHz 时为 118 和 0.11)是通过含有 1.7 wt%-CNT/45 wt%-BT/PVDF 的纳米复合材料实现的。这些结果不仅提供了一种具有改进介电性能的 3D 打印介电纳米复合材料的技术,而且还提供了具有设计自由度、低成本和更快工艺的大规模电子设备制造的可能性。而 CNT 的渗透阈值接近 1.7 wt%。最理想的介电常数和损耗特性组合(1 kHz 时为 118 和 0.11)是通过含有 1.7 wt%-CNT/45 wt%-BT/PVDF 的纳米复合材料实现的。这些结果不仅提供了一种具有改进介电性能的 3D 打印介电纳米复合材料的技术,而且还提供了具有设计自由度、低成本和更快工艺的大规模电子设备制造的可能性。
更新日期:2018-06-01
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