發(fā)布時(shí)間：2023年3月14日
已經(jīng)查看了438次
在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（批準(zhǔn)號：51877132）等資助下，上海交通大學(xué)黃興溢教授團(tuán)隊(duì)與合作者在聚合物電工絕緣材料研究領(lǐng)域取得新突破，相關(guān)研究成果以“用于高溫介電儲能的梯藩共聚物（Ladderphane copolymers for high temperature capacitive energy storage）”為題，于2023年3月2日發(fā)表在《自然》 （Nature）雜志上。該研究同時(shí)實(shí)現(xiàn)了聚合物電介質(zhì)薄膜熱導(dǎo)和電導(dǎo)的調(diào)控，使聚合物薄膜的絕緣性能和導(dǎo)熱性能不再是一對矛盾。
聚合物電介質(zhì)薄膜電容器具有極高的能量轉(zhuǎn)換速率，在電磁能裝備、電力電子以及新能源裝備等領(lǐng)域的作用至關(guān)重要。隨著器件、裝備往緊湊化、輕量化、工作環(huán)境極端化方向發(fā)展，對聚合物電介質(zhì)薄膜的儲能密度以及耐高溫性能的要求越來越高。電荷存儲密度和電場強(qiáng)度的平方成正比，因此，提高電介質(zhì)薄膜的擊穿場強(qiáng)對增加電容器的電荷存儲能力至關(guān)重要。然而，聚合物薄膜在高電場下以電子電導(dǎo)為主，不再符合歐姆定律，電導(dǎo)電流隨電場強(qiáng)度增加呈指數(shù)增大，會(huì)產(chǎn)生大量的焦耳熱。傳統(tǒng)聚合物電介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)普遍較低（< 0.2 W/(mK)），散熱效率差，會(huì)造成介質(zhì)溫度快速升高，進(jìn)而引起電導(dǎo)指數(shù)增加、擊穿場強(qiáng)急速降低等連鎖反應(yīng)，從而造成器件、裝備失效等嚴(yán)重問題，在高溫下工作的器件、裝備的散熱問題尤其突出。盡管可以通過納米添加等方式增加聚合物電介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，但這給薄膜制造工藝帶來了極大挑戰(zhàn)。因此，開發(fā)耐高溫、本征高導(dǎo)熱的聚合物電介質(zhì)薄膜是最好選擇。
研究團(tuán)隊(duì)通過等規(guī)鏈段層狀排列構(gòu)建陣列化納米區(qū)域，并在陣列化納米區(qū)域中引入親電陷阱基團(tuán)，在大幅提升柔性聚合物電介質(zhì)薄膜導(dǎo)熱性能的基礎(chǔ)上使電阻率提升了一個(gè)數(shù)量級，解決了導(dǎo)熱和絕緣的矛盾。聚合物電介質(zhì)薄膜厚度方向的本征導(dǎo)熱系數(shù)為1.96 ± 0.06 W/(mK)，是目前報(bào)道的絕緣聚合物本征導(dǎo)熱系數(shù)的最高值。聚合物電介質(zhì)薄膜在200 oC、90%效率下的放電能量密度為5.34 J/cm3，在50000次充-放電循環(huán)后儲能性依然穩(wěn)定，且具有良好擊穿自愈性，在電磁能裝備、新能源汽車、電力電子裝置等領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。
日期 2023-03-10 來源：工程與材料科學(xué)部 國家自然科學(xué)基金委員會(huì)