AM:高温聚合物复合介电材料—实验室储能与大规模生产的**突破
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上海卷柔新技术光电有限公司是一家专业研发生产光学仪器及其零配件的高科技企业,公司2005年成立在上海闵行零号湾创业园区,专业的光电镀膜公司,技术背景依托中国科学院,卷柔产品主要涉及光学仪器及其零配件的研发和加工;光学透镜、反射镜、棱镜,平板显示,安防监控等光学镀膜产品的开发和生产,为全球客户提供上等的产品和服务。
研究背景与挑战
在现代电子设备和电力系统中,电容器作为储能装置的关键角色逐渐显现,尤其是在电动汽车、航天器和新能源等领域,对电容器的高温稳定性和高能量密度提出了更高要求。然而,传统的聚合物介电材料,如双向拉伸聚丙烯(BOPP),虽然具有较低的成本和良好的机械灵活性,却无法满足高温环境下的长时间使用需求,其储能密度(<2 J/cm³)和耐温性(约105°C)远低于电力系统的要求。随着高温介电材料的需求激增,学界已开始致力于研发能够在高温下维持稳定性能的聚合物复合介电材料。
清华大学的研究团队在《Advanced Materials》期刊上发表的高温聚合物复合介电材料研究中,详细分析了不同高温环境对聚合物介电性能的影响,并提出了一系列**的改性策略,为高温储能材料的研究提供了全新的方向。
**点与技术突破
一、双重改性策略:填料与分子结构的双管齐下
高温环境对介电材料的主要影响体现在两个方面:介电常数下降和介电损耗增加。为了应对这一挑战,研究团队提出了通过填料改性和分子链修饰的双重策略:
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填料改性:研究团队选择了具有宽带隙的无机纳米填料,如氧化铝(Al₂O₃)、二氧化钛(TiO₂)、氮化硼(BN)等,这些填料能通过引入深陷阱来有效抑制漏电流,并提高材料的击穿强度。在高温下,这些无机填料通过阻止载流子的自由流动,显著降低了介电损耗。
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分子链修饰:通过设计具有高玻璃化转变温度(Tg)的聚合物(如聚酰亚胺(PI)、聚醚酰亚胺(PEI)等),并通过极性基团接枝等手段,优化了分子链的极化行为,提高了材料在高温下的介电常数和储能密度。这种分子结构的改性有效提升了材料的热稳定性和机械性能,为高温环境下的应用提供了坚实保障。
二、层次结构设计:复合材料的性能增强
为了进一步提升材料的击穿强度与储能密度,研究团队提出了多层结构设计,通过在材料表面涂覆无机屏障层,有效提高了介电材料的耐高压能力。这一设计可以通过调整层与层之间的界面结构,优化电场分布,减小电场畸变,从而提升材料的能量存储效率。
三、大规模生产工艺的**突破
尽管在实验室中取得了显著的成果,如何将高性能的聚合物复合介电材料推向工业化生产,仍然是一个巨大的挑战。研究团队提出了溶液铸造法和双向拉伸法这两种大规模生产工艺的优化方案。双向拉伸法通过在两个方向上的拉伸,成功提升了聚合物的结晶度和均匀性,有助于提高薄膜的击穿强度和介电性能,并能保证大面积薄膜的生产。
研究团队不仅为高温聚合物复合介电材料提供了全新的改性思路,也为高温储能材料的工业化生产奠定了基础。
随着未来研究的深入,聚合物复合介电材料在电动汽车、高压电力系统、航天器等高温工作环境中的应用前景广阔。新型材料的突破,将为智能电网、可再生能源存储等领域提供更高效、更稳定的解决方案。
文章链接:https://doi.org/10.1002/adma.202411507
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上海卷柔新技术光电有限公司是一家专业研发生产光学仪器及其零配件的高科技企业,公司2005年成立在上海闵行零号湾创业园区,专业的光电镀膜公司,技术背景依托中国科学院,卷柔产品主要涉及光学仪器及其零配件的研发和加工;光学透镜、反射镜、棱镜,平板显示,安防监控等光学镀膜产品的开发和生产,为全球客户提供上等的产品和服务。
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