聚合物電工絕緣材料研究獲重大突破

在航空電子、汽車工業、地下油氣勘探和高級推進系統等眾多高功率、高電流和高溫應用領域，對介電電容器的高溫能力有著迫切需求。2日，國際學術期刊《自然》刊發上海交通大學化學化工學院黃興溢教授團隊與合作者的最新研究成果。我科學家在聚合物電工絕緣材料研究領域取得重大突破，相關發明專利已獲得授權。

介電電容器是組成現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材料隔離，實現電能儲存和轉換。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電流隨電場強度增加呈指數增大，會産生大量的焦耳熱。由於傳統的聚合物介電材料的導熱系數普遍較低，會造成介質溫度快速升高，進而引起電導指數增加、耐電強度急速降低等連鎖反應，從而造成器件、裝備失效等嚴重問題。因此，“絕緣和導熱的互為矛盾”成為制約聚合物材料在先端電氣電子裝備方面發展的問題之一。

儘管可以通過引入奈米添加等方式，增加聚合物電介質的導熱系數，但這又往往以犧牲耐電強度為代價，更重要的是，奈米添加給薄膜製造工藝帶來極大挑戰。因此，開發耐高溫、本徵高導熱的聚合物電介質薄膜是最好的選擇。

基於這一挑戰，黃興溢團隊設計了一種含氟缺陷的雙鏈結構共聚物，以此實現在垂直平面方向表現出高於現有聚合物10倍的導熱系數。電極化儲能測試表明，設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。同時採用紅外相機直觀觀察到，在高導熱的雙鏈聚合物薄膜中未出現局部熱積聚現象，結合模擬電介質薄膜電容器芯子的熱場分佈，發現薄膜電容芯子的中心溫度未明顯上升，充-放電迴圈更加穩定。

值得一提的是，設計的聚合物的碳含量相對較低，這賦予了其優異的自愈性，電鏡圖像清晰顯示了電擊穿區域四週的鋁金屬電極被蒸發除去，碳化通道孤立於金屬電極，擊穿後的金屬化聚合物薄膜整體仍保持高絕緣性。自愈後的儲能性沒有出現明顯劣化，仍能進行10000次的連續充-放電迴圈。