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仪表网 研发快讯】随着现代电子电气系统的不断发展，聚合物介电材料需具备出色的高温稳定性和能量存储能力，以应对新的技术挑战。介电聚合物具有轻便和耐高压的优势，因此在静电薄膜电容器中至关重要。然而，这些材料在极端热环境下的耐受性较差。因此，开发能够在高温下承受强电场的耐热介电聚合物对于实现电气化至关重要。然而，平衡热稳定性和电绝缘性非常困难，因为这两种性质往往呈现出负相关的关系。
针对这一问题，西安交通大学电信学部电子科学与工程学院周迪教授团队提出了一种叠层结构设计方法，将具有稳定准线性电滞回线和较高介电常数的无机填料颗粒与具有高击穿强度的PEI薄膜相结合。通过固相反应法制备了具有高介电常数和低损耗的0.55Bi0.5(Na0.84K0.16)0.5TiO3-0.45(Bi0.1Sr0.85)TiO3(BNKT-BST)致密陶瓷，同时采用流延和热压工艺制备不同结构BNKT-BST/PEI纳米复合材料(图1)。引入BNKT-BST无机填料显著提高了PEI基复合材料的介电常数、击穿强度和力学性能，同时降低了损耗和漏电流密度，从而获得了优异的能量存储性能。更重要的是，在150 ℃和650 MV m-1条件下，三层结构的0-0.75-0纳米复合材料实现了最高放电能量密度为7.7 J cm⁻³，充放电效率为80.2 %(图2)。同时，该研究阐明了电极尺寸对聚合物基复合材料介电常数和能量密度的影响，为如何规范电容器的储能密度测量提供了一个可靠的标准，这在相当长的一段时间内被许多研究者所忽视。对于聚合物电介质及其复合材料，ɛr一般小于10，电极尺寸将严重影响其电容和储能性能(电极小，回路寄生电容和边缘效应贡献大，电容虚高)，亟需确立介电性能实验室测试标准，以免误用的数据进一步积累而导致的负面影响。例如，由于不同器件的寄生电容不完全相同，应尽量增大电极面积减小寄生电容对测试的影响；或建立统一的测试标准(如用商用的PTFE、BOPP等进行标定)，以减少电容虚大和储能密度虚高的现象。
图1 通过叠层结构设计，陶瓷颗粒/聚合物复合材料在高温条件下实现超高放电能量密度(Ud)与充放电效率(η)的示意图。
图2 BNKT-BST/PEI纳米复合材料在150 °C下的储能性能。
该研究成果以“通过填料和结构设计实现聚醚酰亚胺复合膜在150 ℃下的超高电容储能密度”(Ultra-High Capacitive Energy Storage Density at 150°C Achieved in Polyetherimide Composite Films by Filler and Structure Design)为题发表在《先进材料》(Advanced Materials)上，该工作第一通讯单位为西安交通大学，电信学部电子学院博士生郭艳、赵维琛为共同第一作者，西安交通大学电子学院周迪教授、电气工程学院刘文凤教授、西安工业大学庞利霞教授及北京理工大学黄厚兵教授为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、陕西省国际合作项目等项目的资助，西安交通大学国际介电研究中心提供了大量测试表征支持。
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