【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】具有高壓耐受性、低介電損耗以及良好工作穩(wěn)定性的介質(zhì)聚合物在靜電電容器中得到廣泛應(yīng)用。隨著生產(chǎn)和生活需求的增加，需要聚合物介質(zhì)電容器應(yīng)用在高溫和高電壓相關(guān)的惡劣環(huán)境中。然而，與介電陶瓷相比，大多數(shù)現(xiàn)有商用聚合物電介質(zhì)只能在相對較低的溫度下工作(低于105℃)，工作溫度較高時，其絕緣和儲能性能會嚴(yán)重退化。聚合物在高溫下的電荷注入、激發(fā)和傳輸會導(dǎo)致漏電流的指數(shù)級增加，從而導(dǎo)致放電能量密度低和放電效率差，這使得聚合物難以滿足電氣設(shè)備高溫高功率的要求。
 

　　高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)被認(rèn)為是高溫聚合物介電材料的關(guān)鍵因素，聚合物鏈高于Tg會失去剛性，增加自由體積，從而導(dǎo)致介電常數(shù)和損耗因子的較大變化。代表性高Tg的聚合物如聚酰亞胺(PI)、聚醚酰亞胺(PEI)、聚碳酸酯(PC)等，這些聚合物具有良好的熱穩(wěn)定性，但當(dāng)高電場和高溫一起作用時，其儲能性能遠(yuǎn)不如室溫下的表現(xiàn)。前期研究表明，在高溫高電場條件下，聚合物電介質(zhì)的傳導(dǎo)損耗主要遵循跳躍傳導(dǎo)機(jī)制。因此，為了進(jìn)一步提高聚合物在高溫高電場下的絕緣性能，在其內(nèi)部引入電荷陷阱以減小電荷跳躍傳導(dǎo)距離被認(rèn)為是一種有效的策略。
 

　　基于上述研究背景，周迪教授團(tuán)隊提出了一種由界面調(diào)控的多能級陷阱工程策略，通過一步浸泡涂覆結(jié)合熱壓工藝，制備全有機(jī)三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合薄膜。將高電子親和能的有機(jī)半導(dǎo)體1,4,5,8-萘四甲酸二酐(NTCDA)引入聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)(P(VDF-HFP))中，并將其涂覆在聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)上，利用熱壓工藝在涂覆膜的兩側(cè)結(jié)合純PET薄膜。NTCDA與P(VDF-HFP)之間的能帶偏移產(chǎn)生多能級深陷阱，層與層之間的界面作用為載流子提供有效阻擋。陷阱與層間阻隔的協(xié)同作用顯著抑制了電荷傳輸與漏電流(如圖1所示)，使材料在25 ℃下展現(xiàn)出增強(qiáng)的擊穿強(qiáng)度(Eb ~ 678.6 MV·m-1)以及優(yōu)異的儲能性能(Ud ≈ 8.2 J·cm-3，效率η ≈ 94.3 %)，在高溫下，該材料仍保持6.4 J·cm-3的高Ud，為開發(fā)兼具高熱穩(wěn)定性與高效率的前沿儲能用聚合物電介質(zhì)提供了一種有效途徑。
 

圖1 界面調(diào)控的多能級陷阱工程策略實現(xiàn)聚合物電介質(zhì)優(yōu)異儲能性能
 

　　此外，無機(jī)寬帶隙納米填料的引入也會在聚合物基體中構(gòu)建電荷陷阱，從而在復(fù)合材料中削弱載流子在高溫下的傳輸，但由范德華力、氫鍵以及靜電作用驅(qū)動的填料固有團(tuán)聚問題仍是一個關(guān)鍵卻常被忽視的挑戰(zhàn)。這些團(tuán)聚現(xiàn)象會導(dǎo)致介電響應(yīng)不均一、擊穿強(qiáng)度下降以及機(jī)械性能退化。為此，周迪教授團(tuán)隊提出了一種精確調(diào)控超低添加量氧化鎂納米片填料在聚合物基體中分布的策略，可有效抑制納米填料團(tuán)聚與電荷積累，實現(xiàn)電場分布均勻，同時最小化界面介電不匹配和局部電場畸變。得益于此策略，所構(gòu)建的三層復(fù)合膜即使在極端高溫條件下仍保持卓越的儲能性能(如圖2所示)。在150 ℃下，其Ud可達(dá)到7.82 J·cm-3，η為87.47 %，更為顯著的是在200 ℃下，該復(fù)合材料仍能提供4.17 J·cm-3的高Ud，且效率超過90 %，其儲能密度相較純PEI提升近十倍，同時也優(yōu)于當(dāng)前的商用聚合物電介質(zhì)、新型合成聚合物及各類聚合物復(fù)合材料。該研究為解決納米填料在聚合物中的團(tuán)聚問題提供了新的思路。
 

圖2 精確調(diào)控超低添加量氧化鎂納米片填料分布以實現(xiàn)聚合物優(yōu)異儲能性能
 

　　上述研究成果分別以《界面層調(diào)控的多級陷阱工程用于提升聚對苯二甲酸乙二醇酯電介質(zhì)薄膜的儲能性能》《精確調(diào)控氧化鎂納米片分布的三明治結(jié)構(gòu)聚合物復(fù)合材料實現(xiàn)高溫條件下的卓越介電儲能性能》為題發(fā)表在國際期刊《納米能源》(Nano Energy)上。論文第一作者分別為西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院博士生劉濤和韓穎，共同通訊作者包括西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院周迪教授、李曉副教授，電氣工程學(xué)院劉文鳳教授、周垚教授，同濟(jì)大學(xué)翟繼衛(wèi)教授，杭州電子科技大學(xué)周濤副教授，以及馬來西亞博特拉大學(xué)KarBan Tan副教授，西安交通大學(xué)為該工作第一完成單位。