【科技前沿】聚合物電工絕緣材料研究獲重大突破|天天速訊

2023-03-06 10:36:51來源：?光明日報

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【科技前沿】?

本報上海3月4日電（記者顏維琦通訊員邱冬勝）在航空電子、汽車工業(yè)、地下油氣勘探和高級推進系統(tǒng)等眾多高功率、高電流和高溫應(yīng)用領(lǐng)域，對介電電容器的高溫能力有著迫切需求。2日，國際學(xué)術(shù)期刊《自然》刊發(fā)上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院黃興溢教授團隊與合作者的最新研究成果。我科學(xué)家在聚合物電工絕緣材料研究領(lǐng)域取得重大突破，相關(guān)發(fā)明專利已獲得授權(quán)。

介電電容器是組成現(xiàn)代電子電路的基本元件，其工作原理是通過將相反的電荷利用絕緣電介質(zhì)材料隔離，實現(xiàn)電能儲存和轉(zhuǎn)換。以混合動力汽車為例，引擎罩下的溫度可能超過140℃，材料在高電場下電導(dǎo)電流隨電場強度增加呈指數(shù)增大，會產(chǎn)生大量的焦耳熱。由于傳統(tǒng)的聚合物介電材料的導(dǎo)熱系數(shù)普遍較低，會造成介質(zhì)溫度快速升高，進而引起電導(dǎo)指數(shù)增加、耐電強度急速降低等連鎖反應(yīng)，從而造成器件、裝備失效等嚴重問題。因此，“絕緣和導(dǎo)熱的互為矛盾”成為制約聚合物材料在先端電氣電子裝備方面發(fā)展的問題之一。

盡管可以通過引入納米添加等方式，增加聚合物電介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，但這又往往以犧牲耐電強度為代價，更重要的是，納米添加給薄膜制造工藝帶來極大挑戰(zhàn)。因此，開發(fā)耐高溫、本征高導(dǎo)熱的聚合物電介質(zhì)薄膜是最好的選擇。

基于這一挑戰(zhàn)，黃興溢團隊設(shè)計了一種含氟缺陷的雙鏈結(jié)構(gòu)共聚物，以此實現(xiàn)在垂直平面方向表現(xiàn)出高于現(xiàn)有聚合物10倍的導(dǎo)熱系數(shù)。電極化儲能測試表明，設(shè)計的雙鏈聚合物在高溫下的放電能量密度超過當前最先進的商品雙向拉伸聚丙烯5倍。同時采用紅外相機直觀觀察到，在高導(dǎo)熱的雙鏈聚合物薄膜中未出現(xiàn)局部熱積聚現(xiàn)象，結(jié)合模擬電介質(zhì)薄膜電容器芯子的熱場分布，發(fā)現(xiàn)薄膜電容芯子的中心溫度未明顯上升，充-放電循環(huán)更加穩(wěn)定。

值得一提的是，設(shè)計的聚合物的碳含量相對較低，這賦予了其優(yōu)異的自愈性，電鏡圖像清晰顯示了電擊穿區(qū)域四周的鋁金屬電極被蒸發(fā)除去，碳化通道孤立于金屬電極，擊穿后的金屬化聚合物薄膜整體仍保持高絕緣性。自愈后的儲能性沒有出現(xiàn)明顯劣化，仍能進行10000次的連續(xù)充-放電循環(huán)。

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