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【科技自立自强】西安交大张志成教授团队在高储能低损耗聚合物电介质领域取得重要突破

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来源:交大新闻网 日期:2024-07-10 11:03 浏览量:

脉冲功率电容器作为关键基础元器件广泛应用于电子器件、汽车、航天器和电磁弹射器等装备。比拟电池电容器,电介质电容器具有超高功率密度独特优势,而偶极玻璃态聚合物由于其优异的储能密度以及极低的能量损耗更是下一代电子和功率器件的抱负材料。现有偶极玻璃态聚合物电介质材料优异的储能性能依赖其高玻璃化转变温度往往导致加工性能不足,遍及存在储能性能与加工性能不成调和的矛盾。如何解耦高储能、低损耗与强韧性之间的矛盾关系是获得优异的储能性能的关键因素。

针对这一问题,西安交通大学化学学院张志成教授团队基于理论模拟,设计了一种由氟原子取代的极性苯乙烯(4-氟苯乙烯, 4-FSt)与氟化长链甲基丙烯酸酯(如甲基丙烯酸三氟乙酯, 3FEMA)组成的无规共聚物材料。研究发现,长链侧基与氟原子的协同效应能够协同改善玻璃态聚合物储能与加工性能,其中优化后的聚(4氟苯乙烯-甲基丙烯酸三氟乙酯)共聚物能在相当高的电场(约750 MV/m)下工作,可释放能量密度高达为18.3 J/cm3,能量转换效率超过89%,比拟于改性之前的材料加工韧性提升超过112%。且该介电薄膜在300 MV/m电场下经过104充放电循环后表示出良好的抗疲劳特性(η>94%)。

通过引入长链侧基增强加工韧性和极性,同时利用氟效应缓解柔性链段引起的击穿强度下降和能量损失增加,有效解决了玻璃态聚合物优异储能性能与加工性能之间长期存在的矛盾。氟苯乙烯与氟化长链甲基丙烯酸酯共聚,一方面长链侧基的高极性可提高共聚物的介电常数,另一方面引入氟原子能够增强偶极彼此作用,提升链间距,从而按捺取向弛豫引起的能量损失。此外,引入具有强吸电子性质的氟原子也被证实可以提高电子捕捉能力,从而显著降低漏电传导损耗,提高击穿强度。值得注意的是,引入长链侧基能够增强介电薄膜的自修复性能,有助于提高介电寿命。这项工作利用氟效应来协调玻璃态聚合物的高储能和可加工性之间的冲突,并采用长链侧基来增强韧性和自修复性,成功实现低能量损失和高击穿强度,从而避免与低玻璃化转变温度相关的问题,例如高能量损失和低击穿强度,有效解决储能性能与加工性能不成调和的矛盾。

上述研究成果近期以《利用氟效应协同改善聚合物电介质的高储能密度、低能量损耗以及优异的加工性能》(Synergistic Enhancement of Dielectric Polymers through Fluorine Incorporation for Improved Energy Storage, Reduced Loss, and Enhanced Processability)为题颁发在国际材料领域权威期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)上,西安交通大学化学学院为第一通讯单位。该论文第一作者为西安交通大学博士研究生程益品,张志成教授和龚红红副教授为论文通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金等相关项目的帮助,论文中的表征及测试得到了西安交通大学分析测试共享中心的支持。

论文链接地址:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202406219

张志成教授课题组主页:https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/zhichengzhang


文字:化学学院
编纂:星火

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