碳纳米管与钛酸钡协同增强PVA电纺复合纳米纤维的制备及其在电子器件中的储能应用

研究人员通过电纺技术制备了不同重量百分比的BaTiO3和碳纳米管(CNT)增强的PVA基二元及三元复合纳米纤维，解决了传统聚合物材料介电性能不足的问题。研究通过FTIR、SEM和EDX证实了材料的均匀性，并首次测得PVA+BaTiO3(4%)在100 Hz下介电常数达~66，三元复合材料电容值提升至~42 pF，为微电子器件储能提供了新型高性能材料。

　　

随着电子器件向微型化、高性能化发展，传统聚合物材料的介电性能已成为制约储能器件发展的瓶颈。聚乙醇(PVA)虽具有优异的化学稳定性和介电特性，但其较低的介电常数和能量密度难以满足先进电子设备需求。与此同时，钛酸钡(BaTiO₃)作为经典铁电材料具有高介电常数，碳纳米管(CNT)则具备卓越的导电性，如何将二者优势协同整合至聚合物基体中，成为材料科学领域的重要课题。

为此，King Khalid University（沙特阿拉伯阿卜哈）的研究团队创新性地采用电纺技术(electrospinning)，制备了BaTiO₃和CNT共增强的PVA复合纳米纤维。通过系统调控填料比例，首次实现了介电性能与机械柔性的协同优化，相关成果发表于《Inorganic Chemistry Communications》。

研究主要采用三大关键技术：电纺技术构建纤维网络结构，傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析分子相互作用，以及扫描电子显微镜(SEM)结合能谱(EDX)表征微观形貌与元素分布。通过LCR测试仪首次全面测量了复合材料的电容、交流电导率和频率依赖性电阻等关键参数。

材料制备与表征
通过固相烧结法合成BaTiO₃，与CNT共同分散于PVA溶液后电纺成纤维。FTIR显示PVA的O-H伸缩振动峰(3332 cm^-1)在复合材料中向低波数偏移，证实了填料与基体的氢键相互作用。SEM显示纤维直径约185 nm且分布均匀，EDX验证了Ba、Ti等特征元素的存在。

电学性能突破
PVA+4%BaTiO₃在100 Hz下介电常数达~66，是纯PVA的数十倍；当频率升至2 MHz时仍保持~12。特别值得注意的是，含CNT的三元复合材料电容值达~42 pF，同时介电损耗显著降低。这种频率稳定性与高电容特性的结合，使其在微型电容器领域展现出独特优势。

结论与展望
该研究通过分子设计实现了填料-基体界面优化，BaTiO₃提升介电常数而CNT构建导电网络，二者协同作用使能量密度显著提高。所开发的复合材料兼具柔性加工特性和优异电学性能，为可穿戴电子、微型传感器等设备的储能组件提供了新材料解决方案。研究团队特别指出，这种电纺复合策略可扩展至其他功能填料体系，为下一代电子器件材料设计开辟了新途径。