【科技前沿】聚合物電工絕緣材料研究獲重大突破-焦點(diǎn)熱訊

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在航空電子、汽車(chē)工業(yè)、地下油氣勘探和高級推進(jìn)系統等眾多高功率、高電流和高溫應用領(lǐng)域，對介電電容器的高溫能力有著(zhù)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(zhuān)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(guò)將相反的電荷利用絕緣電介質(zhì)材料隔離，實(shí)現電能儲存和轉換。以混合動(dòng)力汽車(chē)為例，引擎罩下的溫度可能超過(guò)140℃，材料在高電場(chǎng)下電導電流隨電場(chǎng)強度增加呈指數增大，會(huì )產(chǎn)生大量的焦耳熱。由于傳統的聚合物介電材料的導熱系數普遍較低，會(huì )造成介質(zhì)溫度快速升高，進(jìn)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(wèn)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(fā)展的問(wèn)題之一。

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

基于這一挑戰，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(shí)現在垂直平面方向表現出高于現有聚合物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(guò)當前最先進(jìn)的商品雙向拉伸聚丙烯5倍。同時(shí)采用紅外相機直觀(guān)觀(guān)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(zhì)薄膜電容器芯子的熱場(chǎng)分布，發(fā)現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(yōu)異的自愈性，電鏡圖像清晰顯示了電擊穿區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(méi)有出現明顯劣化，仍能進(jìn)行10000次的連續充-放電循環(huán)。

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關(guān)鍵詞： 導熱系數 電工絕緣材料 金屬電極