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川大邓华团队Mater. Today Energy: 耐高温电容器电介质薄膜

时间：2022-07-21 来源：浏览：

川大邓华团队Mater. Today Energy: 耐高温电容器电介质薄膜

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收录于合集

第一作者：张凯奕

通讯作者：邓华

通讯单位：四川大学

【研究亮点】

1．通过简单溶液刮涂法制备得到了交替多层结构聚酰亚胺（PI）复合介电薄膜。

2．氮化硼纳米片（BNNS）类似“砖块”堆砌排布，“嵌入”在聚酰亚胺薄膜中，形成交替多层结构。

3．交替多层分布形式最大限度利用BNNS二维纳米片状的形貌优势，提升薄膜击穿及储能性能。

4．利用有限元分析方法证明了交替多层结构在抑制漏电流密度上优于随机分布结构，并对交替多层结构的影响因素进行了探讨。

【研究背景】

聚合物电介质是薄膜电容器的关键材料。目前，随着先进电子技术和电力系统的发展，对薄膜电容器的耐温性（＞150℃）提出了更高的要求。然而耐高温聚合物在高温、高电场下高电导损耗这一问题严重限制了其实际应用。针对这一个问题，如何抑制耐高温聚合物在高温高电场下的电导损耗，改善其储能性能成为人们关注的焦点。以往的研究主要集中在共混宽带隙无机纳米填料或在薄膜表面镀上一层宽带隙无机层以阻隔电极电子注入到材料中。但是上述方法存在填料用料多，大规模生产难，成本高等问题。

【拟解决的关键问题】

1．抑制耐高温聚合物在高温高电场下存在的高电导损耗，改善材料储能性。

2．开发可扩展，低成本的制备耐高温聚合物基电介质的方法。

【研究思路剖析】

1．绝大多数耐高温聚合物分子主链通常含有大量的苯环，其引发的共轭效应会使分子链上的电子离域，进而导致带隙减小(PEI为3.2eV, PP为8.8eV)，使价带电子在高温高电场下更容易跃迁到导带。同时自电极注入材料中的电子也加剧了材料的电导损耗。因此，抑制材料电导损耗因从减少材料内自由电子和阻碍电子在材料内部迁移两点出发。

2．利用BNNS本身宽带隙、高温优异绝缘性及二维纳米形貌特点，垂直于电场排布可最大利用其性能优势。

3．结合有限元分析方法，对填料交替多层分布结构对材料高温储能性能的改善机理进行验证，为制备交替多层复合薄膜提供理论依据。

【图文简介】

鉴于此，四川大学邓华团队提出了一种由PI和BNNS组成的高温介电聚合物纳米复合材料。通过设计PI和BNNS的交变多层结构，有效降低了纳米复合材料的电导损失。在150℃时，含4层BNNS层的纳米复合材料的放电能量密度为3.98 J/cm ³ ，相比于PI的放电能量密度有530%的提高。同时有限元模拟和实验结果表明，与传统聚合物与填料直接共混相比，交变多层结构能更有效地降低漏电流密度，改善材料储能性能，且填料用量更低。同时，相比于气相沉积方法，溶液刮涂法在牺牲一定BNNS层致密性的情况下大幅提高了大规模生产的可行性并降低了成本。

图1. 交替多层结构复合薄膜的制备流程。

要点1．复合薄膜的制备过程如图1所示，先将h-BN利用液相剥离法得到BNNS。BNNS分散液及聚酰胺酸交替刮涂在洁净的玻璃基板上，每次刮涂伴随着一次烘干。最后固化剥离得到复合薄膜。

图2．复合薄膜断面及BNNS层表面SEM图。

要点2．通过多次溶液刮涂制备得到的复合薄膜，BNNS层较为致密且规整“嵌入”在PI中。

图3．复合薄膜的介电及击穿性能。

要点3．复合薄膜在常温到200℃间介电性能稳定，击穿强度随BNNS层数的提高而提高。

图4．复合薄膜在不同温度下的储能性能

要点4．复合薄膜在常温到200℃之间介电性能稳定，击穿强度随BNNS层数的提高而提高。

图5．复合薄膜在150℃的漏电流密度及交替多层结构与随机分布结构的电流密度分布概率。

要点5．实验及模拟结果证实了交替多层结构对材料电流密度优异的抑制效果，且在控制填料含量相同的条件下，交替多层分布由于传统均匀共混。

【意义分析】

作者提出的高温环境应用的电容器电介质薄膜的制备方法操作简单，可通过溶液刮涂、喷涂等工业上成熟的工艺实现规模化生产。该方法避免了BNNS与聚合物的相容性问题，减少了填料的后处理步骤和成本。为耐高温的高性能介电聚合物基复合材料的设计提供了一种可行的思路。

【原文链接】

https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101093

【作者简介】

邓华教授，主要研究方向为导电、导热、热电、形变敏感、介电、电磁屏蔽及海水淡化处理相关的复合材料。在Progress in Polymer Science, Advanced Functional Materials, Small等杂志，以第一作者或通讯作者发表SCI文章50余篇，SCI他引3000余次。H因子43。

期刊介绍