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专题论述

如何获得高储能聚醚酰亚胺介电复合材料?

发布时间:2022/6/10 9:33:39 来源:工程塑料应用

近年来,电介质电容器由于优异的储能性能被广泛用作储能设备,其中,介电聚合物由于具有柔韧性好、质量轻和击穿强度高等吸引人的优点,被广泛用于静电电容器。电介质电容器在实际应用中需要大容量,如航天电力系统和混合动力汽车,智能电网、电动汽车以及先进武器装备等。

对于介电聚合物来说,低放电能量密度限制了其广泛应用。在聚合物基体中加入高介电常数的陶瓷填料可以有效提高聚合物基体的介电常数。但是由于无机填料与有机基体的相容性较差,过量的填料会降低聚合物基体的击穿强度,不利于提高复合材料的储能性能。如何在保证聚合物优点的同时,提高复合材料的介电储能性能,是目前众多学者研究的目标。

聚醚酰亚胺(PEI)具有独特的力学性能和介电性能的组合,因其具有高延展性、高击穿强度和低介电损耗等特点而成为高性能微电子应用的首选材料。山东科技大学曲绍宁等首先采用Stober法制备了二氧化硅(SiO2)包覆钛酸钡(BT) (BT@SiO2)填料,在BT纳米颗粒的表面包裹SiO2缓冲层,通过SiO2包裹BT减轻电场畸变,以达到增强击穿强度的作用。之后通过溶液浇铸法制备PEI/BT@SiO2复合材料薄膜,该方法简单、高效,操作要求不高。该研究为制备高储能密度聚合物复合材料提供了更为有效的方法。

1、要点总结

(1)通过Stober法成功制备了具有BT核和非晶SiO2壳的“核-壳”结构BT@SiO2填料,再通过溶液浇铸法制备了均匀、柔性、透明的PEI复合材料薄膜。

(2)高绝缘SiO2层可有效降低泄漏电流和介电损耗,增强复合材料的击穿强度,提升复合材料薄膜的储能性能。

(3)当填料的体积分数为0.2%时,PEI复合材料的特征击穿强度达到最大值468 MV/m,与纯PEI相比提升约16%,放电能量密度为4.1 J/cm3(电场强度400 MV/m),相对纯PEI提高了192%,充放电效率为72%。其在高储能介电复合材料方面表现了广阔的应用前景。

2、样品制备

(1)BT@SiO2填料的制备:将0.03 g BT加入到50 mL无水乙醇中,加入30 mL的去离子水和适量氨水,超声分散1 h,记作混合液A。量取300 μL正硅酸乙酯(TEOS)溶于20 mL的无水乙醇中,超声分散30 min,记作溶液B。将溶液B加入到溶液A中,室温下搅拌12 h,将所得混合液高速离心收集沉淀,清洗4次,置于70℃鼓风干燥箱中干燥8 h,得到BT@SiO2填料。

(2)PEI复合材料薄膜制备:按照表1配方中设计的填料体积分数,再根据PEI和填料的密度,换算为相应的质量。称取不同质量的改性BT填料加入到16 g N-甲基吡咯烷酮(NMP)中,超声30 min,使填料充分分散在溶剂中,将4 g PEI颗粒加入到上述分散液中,于50℃下搅拌6 h以溶解PEI,之后缓慢搅拌2 h排气,得到混合均匀的溶液。将混合溶液置于玻璃板上使用可调式涂膜器刮膜,将刮好的膜首先置于50℃烘箱中1 h后升温至80℃保持24 h以挥发溶剂,最后梯度升温,升温梯度为120℃/1 h,150℃/1 h,200℃/1 h,制得PEI复合材料薄膜。薄膜厚度为30 μm和15 μm,除了击穿强度测试选择厚度15 μm的薄膜,其余的测试都选择厚度30 μm的薄膜。

下图为制备的不同填料体积分数的薄膜成品。

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3、主要结果

(1)介电性能

对于电介质材料来说,介电常数、介电损耗、特征击穿强度是关键因素。不同BT@SiO2填料含量与复合材料介电常数和介电损耗的关系如下图所示。可以看出,与纯PEI相比,填料的加入可以有效提高复合材料薄膜的介电常数,并且复合材料薄膜的介电常数随着填料含量的增加而增加。在频率为400 Hz的情况下,当BT@SiO2的体积分数为1.0%时,PEI复合材料的介电常数达到最大为5.7,与纯PEI相比提升约28%。与纯PEI相比,填料的加入明显降低了复合材料的介电损耗,最高仅为0.011,与纯PEI相比降低了54%。

介电常数

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介电损耗

复合材料的特征击穿强度与填料含量的关系如下图所示。可以看出,随着填料含量的增加,复合材料的击穿强度先增大,后减小。当填料的体积分数为0.2%时,击穿强度达到最大值468 MV/m,相对于纯PEI提升了约16%,增强效果较为明显。

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(2)储能性能

PEI复合材料薄膜的放电能量密度如下图所示(图中横坐标E为电场强度)。可以看到,当填料的体积分数为0.2%时,复合材料薄膜可以达到最大的放电能量密度。“核-壳”结构填料中BT具有高介电常数和极化强度,但是SiO2的存在降低了BT与PEI基体之间的介电差异,可以减少电场畸变。同时,绝缘的SiO2层也减轻了界面载流子的浓度,使击穿通道难以通过高绝缘的SiO2层,复合材料的击穿强度被有效增强,因此复合材料的放电能量密度增强。

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PEI复合材料薄膜的充放电效率如下图所示(图中横坐标E为电场强度)。可以看出,所有复合材料薄膜的充放电效率与纯PEI相比有所降低,但均高于60%。由放电能量密度图及充放电效率图可以看出,填料的体积分数为0.2%时,复合材料的最大放电能量密度为5.8 J/cm3,此时的充放电效率为62%。在400 MV/m条件下,填料体积分数为0.2%的复合材料薄膜放电能量密度为4.1 J/cm3,相对纯PEI提高了192%,充放电效率为72%。

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