電介質(zhì)電容器是一種電子元件，它主要由兩個導(dǎo)體之間的電介質(zhì)材料隔開而構(gòu)成。這種電容器的主要目的是存儲電荷并在電路中傳遞電信號。其中，成本低、易加工、耐高電壓的柔性聚合物是最有潛力的電容器電介質(zhì)材料之一，但其低介電常數(shù)導(dǎo)致的低儲能密度限制了當今電子工業(yè)對器件小型化和高性能化的要求。

各種電容器組合

隨著電力系統(tǒng)、新能源電動汽車、可穿戴電子等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，聚合物基電介質(zhì)電容器要想乘上這股風(fēng)，就必須要做出改變——在混合動力汽車等領(lǐng)域中，電介質(zhì)電容器需要高溫環(huán)境下工作；在電力電子系統(tǒng)中，電介質(zhì)電容器需要有較高的能量密度以保證較小的設(shè)備體積。

電動汽車逆變器系統(tǒng)中使用的介電儲能電容器占據(jù)了逆變器35%以上的體積

針對這些難題，人們提出將無機填料加入到聚合物基體中，用于改善電介質(zhì)的性能，并在一定程度上提高電容器的性能和穩(wěn)定性。以下是一些通常的目的和作用：

①增強機械強度：有機聚合物可能在機械強度方面表現(xiàn)相對較弱，通過添加無機填料，可以增加電介質(zhì)的機械強度，提高電容器的物理強度和耐久性。

②提高熱穩(wěn)定性：無機填料的加入可以改善電介質(zhì)的熱穩(wěn)定性，使其能夠在更高的溫度范圍內(nèi)工作而不失效。

③降低滲透率：一些無機填料具有較好的封閉性能，可以降低電介質(zhì)的滲透率，防止外部濕氣或其他有害物質(zhì)進入電容器，從而提高電容器的穩(wěn)定性。

④改善介電性能：通過選擇合適的無機填料，可以改善電介質(zhì)的介電性能，包括介電常數(shù)和介電損耗，從而提高電容器的性能。

⑤減小體積收縮：在電容器的生產(chǎn)過程中，有機聚合物可能發(fā)生體積收縮，而無機填料的加入可以減小這種收縮，提高電容器的制造精度。

⑥控制熱膨脹系數(shù)：通過添加特定類型的無機填料，可以調(diào)整電介質(zhì)的熱膨脹系數(shù)，使其更好地匹配其他組件的熱膨脹系數(shù)，從而減小溫度變化對電容器的影響。

介電復(fù)合利料組成圖

無機填料的選擇

為了制備出可以在高溫條件下具有較高能量密度的介電復(fù)合材料，以保證設(shè)備輕量化和小型化。對無機填料的選擇也有一定的要求，以下是可供考慮的方向：

1、不同種類的無機填料

無機填料作為增強相可以明顯提高介電復(fù)合材料的介電性能，不同種類的無機填料對介電復(fù)合材料的貢獻也有所不同，根據(jù)其性質(zhì)，可以大致分為高介電填料和高絕緣填料。

①高介電填料

大部分耐高溫聚合物都普遍具有較低的介電常數(shù)，不利于儲存較多的電能，而鈦酸鋇(BaTiO₃)和鈦酸鍶(SrTiO₃)等高介電填料可以彌補這一短板，將其加入到聚合物基體后，會顯著提高復(fù)合材料的介電常數(shù)，使儲能密度得到提高。Miao等人將SrTiO₃作為填料加入到PEI基體中，制備了一系列復(fù)合材料，含有10 vol%SrTiO₃納米顆粒的復(fù)合材料的介電常數(shù)在1 kHz下達到了8.96，相比于純PEI提高了近246%，復(fù)合材料的儲能密度得到明顯改善，但是這種方法一般來說都是以犧牲復(fù)合材料的擊穿場強為代價的，無法滿足高電場環(huán)境下的應(yīng)用條件。

②高絕緣填料

近幾年來，研究人員越來越關(guān)注于通過提高介電復(fù)合材料的擊穿場強來提高儲能密度，具有寬帶隙的高絕緣填料可以契合這一途徑，將其加入到聚合物基體后，可以顯著提高介電復(fù)合材料的擊穿場強，降低漏電流密度，改善高溫高電場下的儲能性能。目前已經(jīng)開發(fā)出了氮化硼(BN)、二氧化鉿(HfO₂)和二氧化硅(SiO2)等多種寬帶隙填料。Ren等人使用HfiO₂作為填料，PEI作為聚合物基體，制備了一系列復(fù)合材料。實驗結(jié)果顯示，添加量為3vol%的復(fù)合材料擊穿場強可以達到500 kV/mm，放電能量密度達到2.82 J/cm³，并且，其漏電流密度相比于純PEI降低了一個數(shù)量級。

2、不同形貌的無機填料

無機填料的形貌對介電復(fù)合材料的儲能性能也會產(chǎn)生重要的影響，如圖，無機填料按形貌可以劃分為球狀填料、纖維狀填料和片狀填料。

①球狀填料

球狀填料是最常見的一種填料。如BaTiO₃類的高介電填料通常都具有球狀的形貌。一般來說，使用此類填料時需要的填料含量較多，以提高復(fù)合材料的介電常數(shù)，但是較高的填料含量在復(fù)合材料內(nèi)部產(chǎn)生較多的缺陷，導(dǎo)致復(fù)合材料的擊穿場強惡化。因此為了避免這一現(xiàn)象，通常需要對填料進行表面改性。zeng等人使用KH550表面處理后的球狀BaTiO₃納米顆粒作為填料，制備了一系列復(fù)合材料。與未使用KH550處理的復(fù)合材料相比，含有處理后的球狀BaTiO₃納米顆粒的復(fù)合材料介電穩(wěn)定性更好，這可能是由于KH550處理后，改善了復(fù)合材料的界面相容性。

②纖維狀填料

纖維狀填料或線狀填料的特點是具有較高的長徑比。有研究發(fā)現(xiàn)，高長徑比的填料提高介電常數(shù)的效果更為顯著。Chen等人制備了BaTiO₃納米纖維，在其表面包裹了一層TiO₂，并制備了一系列復(fù)合材料，研究其性能。結(jié)果表明，帶有TiO₂殼的BaTiO₃納米纖維同時提高了材料的介電常數(shù)和擊穿場強。相比于球狀填料，纖維狀填料的優(yōu)勢在于可以產(chǎn)生更多的相界面，增強材料介電常數(shù)的作用更明顯，但缺點在于粗細均勻的納米纖維制備比較困難，不易控制長徑比，并且更易團聚，不能均勻分散。

③片狀填料

片狀填料指具有一定長徑比的納米片。研究發(fā)現(xiàn)，將具有片狀形貌的寬帶隙填料加入到聚合物基體中，可以在復(fù)合材料內(nèi)部產(chǎn)生深陷阱，并阻擋電樹枝的發(fā)展，顯著提高材料的擊穿場強。Ye等人制備了具有片狀形貌的鎂鋁水滑石納米片(MgAl LDH)，并負載Ni顆粒，將其作為填料制備了一系列復(fù)合材料，并探究其擊穿性能。如圖，MgAl LDH的加入可以阻礙復(fù)合材料內(nèi)部電樹枝的發(fā)展，提高擊穿場強，結(jié)果表明，復(fù)合材料的擊穿場強最高達到640 kV/mm。

MgAl LDH的功能示意圖

對比不同性質(zhì)和形貌的填料可以得出，將寬帶隙及具有片狀形貌的無機填料加入到聚合物基體中可以顯著提高介電復(fù)合材料的擊穿場強，符合目前介電復(fù)合材料的應(yīng)用需求。

結(jié)語

總體而言，為滿足現(xiàn)代電力裝置與電子設(shè)備對高性能電容器的需求，開發(fā)高儲能密度的柔性介電復(fù)合材料顯得至關(guān)重要。

無機填料的選擇和添加有助于優(yōu)化電介質(zhì)的性能，使聚合物基電容器更適用于各種應(yīng)用領(lǐng)域。但選擇的時候，也要同時兼顧保持有機聚合物的優(yōu)點，在此基礎(chǔ)上去彌補其一些缺陷，以提高電容器的整體性能。

資料來源：

楊學(xué)琳. 片狀納米氧化鋁粉體制備及其在介電復(fù)合材料中應(yīng)用研究[D]. 北京:北京化工大學(xué),2023.

謝兵,蔡金峽,王銅銅,等. 高儲能密度聚合物基多層復(fù)合電介質(zhì)的研究進展[J]. 無機材料學(xué)報,2023,38(2):137-147. DOI:10.15541/jim20220343.

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