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在航空電子、汽車工業(yè)、地下油氣勘探和高級推進系統(tǒng)等眾多高功率、高電流和高溫應(yīng)用領(lǐng)域，對介電電容器的高溫能力有著迫切需求。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)明專利已獲得授權(quán)。

介電電容器是組成現(xiàn)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(zhì)材料隔離，實現(xiàn)電能儲存和轉(zhuǎn)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(dǎo)電流隨電場強度增加呈指數(shù)增大，會產(chǎn)生大量的焦耳熱。由于傳統(tǒng)的聚合物介電材料的導(dǎo)熱系數(shù)普遍較低，會造成介質(zhì)溫度快速升高，進而引起電導(dǎo)指數(shù)增加、耐電強度急速降低等連鎖反應(yīng)，從而造成器件、裝備失效等嚴(yán)重問題。因此，“絕緣和導(dǎo)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)展的問題之一。

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

基于這一挑戰(zhàn)，黃興溢團隊設(shè)計了一種含氟缺陷的雙鏈結(jié)構(gòu)共聚物，以此實現(xiàn)在垂直平面方向表現(xiàn)出高于現(xiàn)有聚合物10倍的導(dǎo)熱系數(shù)。電極化儲能測試表明，設(shè)計的雙鏈聚合物在高溫下的放電能量密度超過當(dāng)前最先進的商品雙向拉伸聚丙烯5倍。同時采用紅外相機直觀觀察到，在高導(dǎo)熱的雙鏈聚合物薄膜中未出現(xiàn)局部熱積聚現(xiàn)象，結(jié)合模擬電介質(zhì)薄膜電容器芯子的熱場分布，發(fā)現(xiàn)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(wěn)定。

值得一提的是，設(shè)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(qū)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。自愈后的儲能性沒有出現(xiàn)明顯劣化，仍能進行10000次的連續(xù)充-放電循環(huán)。

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關(guān)鍵詞： 導(dǎo)熱系數(shù) 電工絕緣材料 金屬電極