【儀表網 研發快訊】具有高壓耐受性、低介電損耗以及良好工作穩定性的介質聚合物在靜電電容器中得到廣泛應用。隨著生產和生活需求的增加，需要聚合物介質電容器應用在高溫和高電壓相關的惡劣環境中。然而，與介電陶瓷相比，大多數現有商用聚合物電介質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重退化。聚合物在高溫下的電荷注入、激發和傳輸會導致漏電流的指數級增加，從而導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備高溫高功率的要求。
高玻璃化轉變溫度(Tg)被認為是高溫聚合物介電材料的關鍵因素，聚合物鏈高于Tg會失去剛性，增加自由體積，從而導致介電常數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定性，但當高電場和高溫一起作用時，其儲能性能遠不如室溫下的表現。前期研究表明，在高溫高電場條件下，聚合物電介質的傳導損耗主要遵循跳躍傳導機制。因此，為了進一步提高聚合物在高溫高電場下的絕緣性能，在其內部引入電荷陷阱以減小電荷跳躍傳導距離被認為是一種有效的策略。
基于上述研究背景，周迪教授團隊提出了一種由界面調控的多能級陷阱工程策略，通過一步浸泡涂覆結合熱壓工藝，制備全有機三明治結構復合薄膜。將高電子親和能的有機半導體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結合純PET薄膜。NTCDA與P(VDF-HFP)之間的能帶偏移產生多能級深陷阱，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 ℃下展現出增強的擊穿強度(Eb ~ 678.6 MV·m-1)以及優異的儲能性能(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，為開發兼具高熱穩定性與高效率的前沿儲能用聚合物電介質提供了一種有效途徑。
圖1 界面調控的多能級陷阱工程策略實現聚合物電介質優異儲能性能
此外，無機寬帶隙納米填料的引入也會在聚合物基體中構建電荷陷阱，從而在復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動的填料固有團聚問題仍是一個關鍵卻常被忽視的挑戰。這些團聚現象會導致介電響應不均一、擊穿強度下降以及機械性能退化。為此，周迪教授團隊提出了一種精確調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聚與電荷積累，實現電場分布均勻，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，所構建的三層復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可達到7.82 J·cm-3，η為87.47 %，更為顯著的是在200 ℃下，該復合材料仍能提供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，同時也優于當前的商用聚合物電介質、新型合成聚合物及各類聚合物復合材料。該研究為解決納米填料在聚合物中的團聚問題提供了新的思路。
圖2 精確調控超低添加量氧化鎂納米片填料分布以實現聚合物優異儲能性能
上述研究成果分別以《界面層調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薄膜的儲能性能》《精確調控氧化鎂納米片分布的三明治結構聚合物復合材料實現高溫條件下的卓越介電儲能性能》為題發表在國際期刊《納米能源》(Nano Energy)上。論文第一作者分別為西安交通大學電信學部電子科學與工程學院博士生劉濤和韓穎，共同通訊作者包括西安交通大學電信學部電子科學與工程學院周迪教授、李曉副教授，電氣工程學院劉文鳳教授、周垚教授，同濟大學翟繼衛教授，杭州電子科技大學周濤副教授，以及馬來西亞博特拉大學KarBan Tan副教授，西安交通大學為該工作第一完成單位。
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