【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】隨著現(xiàn)代電子電氣系統(tǒng)的不斷發(fā)展，聚合物介電材料需具備出色的高溫穩(wěn)定性和能量存儲能力，以應(yīng)對新的技術(shù)挑戰(zhàn)。介電聚合物具有輕便和耐高壓的優(yōu)勢，因此在靜電薄膜電容器中至關(guān)重要。然而，這些材料在極端熱環(huán)境下的耐受性較差。因此，開發(fā)能夠在高溫下承受強(qiáng)電場的耐熱介電聚合物對于實(shí)現(xiàn)電氣化至關(guān)重要。然而，平衡熱穩(wěn)定性和電絕緣性非常困難，因?yàn)檫@兩種性質(zhì)往往呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的關(guān)系。
 

　　針對這一問題，西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院周迪教授團(tuán)隊(duì)提出了一種疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，將具有穩(wěn)定準(zhǔn)線性電滯回線和較高介電常數(shù)的無機(jī)填料顆粒與具有高擊穿強(qiáng)度的PEI薄膜相結(jié)合。通過固相反應(yīng)法制備了具有高介電常數(shù)和低損耗的0.55Bi0.5(Na0.84K0.16)0.5TiO3-0.45(Bi0.1Sr0.85)TiO3(BNKT-BST)致密陶瓷，同時(shí)采用流延和熱壓工藝制備不同結(jié)構(gòu)BNKT-BST/PEI納米復(fù)合材料(圖1)。引入BNKT-BST無機(jī)填料顯著提高了PEI基復(fù)合材料的介電常數(shù)、擊穿強(qiáng)度和力學(xué)性能，同時(shí)降低了損耗和漏電流密度，從而獲得了優(yōu)異的能量存儲性能。更重要的是，在150 ℃和650 MV m-1條件下，三層結(jié)構(gòu)的0-0.75-0納米復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)了最高放電能量密度為7.7 J cm?³，充放電效率為80.2 %(圖2)。同時(shí)，該研究闡明了電極尺寸對聚合物基復(fù)合材料介電常數(shù)和能量密度的影響，為如何規(guī)范電容器的儲能密度測量提供了一個(gè)可靠的標(biāo)準(zhǔn)，這在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)被許多研究者所忽視。對于聚合物電介質(zhì)及其復(fù)合材料，?r一般小于10，電極尺寸將嚴(yán)重影響其電容和儲能性能(電極小，回路寄生電容和邊緣效應(yīng)貢獻(xiàn)大，電容虛高)，亟需確立介電性能實(shí)驗(yàn)室測試標(biāo)準(zhǔn)，以免誤用的數(shù)據(jù)進(jìn)一步積累而導(dǎo)致的負(fù)面影響。例如，由于不同器件的寄生電容不完全相同，應(yīng)盡量增大電極面積減小寄生電容對測試的影響；或建立統(tǒng)一的測試標(biāo)準(zhǔn)(如用商用的PTFE、BOPP等進(jìn)行標(biāo)定)，以減少電容虛大和儲能密度虛高的現(xiàn)象。
 

　　圖1 通過疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，陶瓷顆粒/聚合物復(fù)合材料在高溫條件下實(shí)現(xiàn)超高放電能量密度(Ud)與充放電效率(η)的示意圖。

 

圖2 BNKT-BST/PEI納米復(fù)合材料在150 °C下的儲能性能。
 

　　該研究成果以“通過填料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)聚醚酰亞胺復(fù)合膜在150 ℃下的超高電容儲能密度”(Ultra-High Capacitive Energy Storage Density at 150°C Achieved in Polyetherimide Composite Films by Filler and Structure Design)為題發(fā)表在《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)上，該工作第一通訊單位為西安交通大學(xué)，電信學(xué)部電子學(xué)院博士生郭艷、趙維琛為共同第一作者，西安交通大學(xué)電子學(xué)院周迪教授、電氣工程學(xué)院劉文鳳教授、西安工業(yè)大學(xué)龐利霞教授及北京理工大學(xué)黃厚兵教授為共同通訊作者。該工作得到國家自然科學(xué)基金、陜西省國際合作項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助，西安交通大學(xué)國際介電研究中心提供了大量測試表征支持。