【仪表网 研发快讯】具有高压耐受性、低介电损耗以及良好工作稳定性的介质聚合物在静电电容器中得到广泛应用。随着生产和生活需求的增加，需要聚合物介质电容器应用在高温和高电压相关的恶劣环境中。然而，与介电陶瓷相比，大多数现有商用聚合物电介质只能在相对较低的温度下工作(低于105℃)，工作温度较高时，其绝缘和储能性能会严重退化。聚合物在高温下的电荷注入、激发和传输会导致漏电流的指数级增加，从而导致放电能量密度低和放电效率差，这使得聚合物难以满足电气设备高温高功率的要求。
高玻璃化转变温度(Tg)被认为是高温聚合物介电材料的关键因素，聚合物链高于Tg会失去刚性，增加自由体积，从而导致介电常数和损耗因子的较大变化。代表性高Tg的聚合物如聚酰亚胺(PI)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚碳酸酯(PC)等，这些聚合物具有良好的热稳定性，但当高电场和高温一起作用时，其储能性能远不如室温下的表现。前期研究表明，在高温高电场条件下，聚合物电介质的传导损耗主要遵循跳跃传导机制。因此，为了进一步提高聚合物在高温高电场下的绝缘性能，在其内部引入电荷陷阱以减小电荷跳跃传导距离被认为是一种有效的策略。
基于上述研究背景，周迪教授团队提出了一种由界面调控的多能级陷阱工程策略，通过一步浸泡涂覆结合热压工艺，制备全有机三明治结构复合薄膜。将高电子亲和能的有机半导体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，并将其涂覆在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)上，利用热压工艺在涂覆膜的两侧结合纯PET薄膜。NTCDA与P(VDF-HFP)之间的能带偏移产生多能级深陷阱，层与层之间的界面作用为载流子提供有效阻挡。陷阱与层间阻隔的协同作用显著抑制了电荷传输与漏电流(如图1所示)，使材料在25 ℃下展现出增强的击穿强度(Eb ~ 678.6 MV·m-1)以及优异的储能性能(Ud ≈ 8.2 J·cm-3，效率η ≈ 94.3 %)，在高温下，该材料仍保持6.4 J·cm-3的高Ud，为开发兼具高热稳定性与高效率的前沿储能用聚合物电介质提供了一种有效途径。
图1 界面调控的多能级陷阱工程策略实现聚合物电介质优异储能性能
此外，无机宽带隙纳米填料的引入也会在聚合物基体中构建电荷陷阱，从而在复合材料中削弱载流子在高温下的传输，但由范德华力、氢键以及静电作用驱动的填料固有团聚问题仍是一个关键却常被忽视的挑战。这些团聚现象会导致介电响应不均一、击穿强度下降以及机械性能退化。为此，周迪教授团队提出了一种精确调控超低添加量氧化镁纳米片填料在聚合物基体中分布的策略，可有效抑制纳米填料团聚与电荷积累，实现电场分布均匀，同时最小化界面介电不匹配和局部电场畸变。得益于此策略，所构建的三层复合膜即使在极端高温条件下仍保持卓越的储能性能(如图2所示)。在150 ℃下，其Ud可达到7.82 J·cm-3，η为87.47 %，更为显著的是在200 ℃下，该复合材料仍能提供4.17 J·cm-3的高Ud，且效率超过90 %，其储能密度相较纯PEI提升近十倍，同时也优于当前的商用聚合物电介质、新型合成聚合物及各类聚合物复合材料。该研究为解决纳米填料在聚合物中的团聚问题提供了新的思路。
图2 精确调控超低添加量氧化镁纳米片填料分布以实现聚合物优异储能性能
上述研究成果分别以《界面层调控的多级陷阱工程用于提升聚对苯二甲酸乙二醇酯电介质薄膜的储能性能》《精确调控氧化镁纳米片分布的三明治结构聚合物复合材料实现高温条件下的卓越介电储能性能》为题发表在国际期刊《纳米能源》(Nano Energy)上。论文第一作者分别为西安交通大学电信学部电子科学与工程学院博士生刘涛和韩颖，共同通讯作者包括西安交通大学电信学部电子科学与工程学院周迪教授、李晓副教授，电气工程学院刘文凤教授、周垚教授，同济大学翟继卫教授，杭州电子科技大学周涛副教授，以及马来西亚博特拉大学KarBan Tan副教授，西安交通大学为该工作第一完成单位。
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