通过调节纳米填料取向和聚合物结晶行为实现介电纳米复合材料的超高能量密度

发布时间：2024-09-20 10:08:24 栏目：社会动态

导读 静电电容器是大功率脉冲设备、输变电工程、新能源汽车、5G通信等行业的关键部件，其超快速充放电性能和超高功率密度是其性能的关键，但其较

静电电容器是大功率脉冲设备、输变电工程、新能源汽车、5G通信等行业的关键部件，其超快速充放电性能和超高功率密度是其性能的关键，但其较低的电容量和能量密度制约了其在电气电子设备向轻量化、柔性化、集成化方向的快速发展，突破电介质的能量密度瓶颈已成为亟待关注的研究热点。



电击穿强度和介电常数(或极化)是电介质中高能量密度的两个关键参数。最常见的策略之一是将各种陶瓷纳米颗粒(例如 BaTiO 3和 SrTiO 3等)掺入高绝缘聚合物基质中，以利用它们各自的优势。然而，要显著提高介电常数，通常需要大量添加纳米颗粒，这往往会增加电导率，从而损害击穿强度。

在科爱期刊《先进粉末材料》上发表的一项研究中，中国长沙中南大学的一组研究人员提出了一种新颖的简便策略，以实现电介质击穿强度和电极化的协同增强。

“我们的策略使我们能够在原位单轴拉伸过程中同时实现平面取向 BaTiO 3纳米线填料的构建和聚偏氟乙烯 (PVDF) 基质的结晶调节”，该研究的资深作者兼通讯作者张斗解释道。

与零维纳米粒子相比，具有高长径比的一维纳米线具有较高的极化率和纵向较大的偶极矩，使其在保持电场耐久性的同时，更有效地在较低的负载水平下提高复合材料的介电常数。

研究证明高应变应力诱导超高极性β相并提高杨氏模量，有利于聚合物基体的电位移和击穿强度同时增加。值得注意的是，有限元模拟结果显示纳米线的定向分布有利于降低纳米线尖端的接触概率，从而减轻电场集中并阻碍击穿路径。

“新设计的拉伸 PVDF 基纳米复合材料能够以高达 843.0 kV/mm 的耐压能力运行，同时提供 40.9 J/cm 3的能量密度。这是迄今为止聚合物电介质中实现的最佳电容性能，”张教授补充道。