Strategie verbetert de doorslagsterkte en polarisatie in diëlektrische nanocomposieten

Elektrostatische condensatoren zijn een belangrijk onderdeel van hoogvermogenpulsapparatuur, krachtoverbrenging en transformatietechniek, nieuwe energievoertuigen en 5G-communicatie. Hun vermogen tot ultrasnel laden en ontladen en ultrahoge vermogensdichtheid zijn cruciaal voor hun prestaties.

Niettemin beperken hun relatief lage capaciteit en energiedichtheid hun snelle ontwikkeling naar de lichtgewicht, flexibele, geïntegreerde trend in elektrische en elektronische apparatuur. Het overwinnen van de knelpunten in energiedichtheid voor diëlektrica is daarom een ​​onderzoeks-hotspot geworden die dringend aandacht behoeft.

Elektrische doorslagsterkte en permittiviteit, of polarisatie, zijn twee belangrijke parameters voor een hoge energiedichtheid in het diëlektricum. Een van de meest voorkomende strategieën omvat het opnemen van verschillende keramische nanodeeltjes zoals BaTiO₃SrTiO₃onder andere, in een hoog-isolerende polymeermatrix om hun respectievelijke voordelen te benutten. Echter, het bereiken van een significante toename in permittiviteit vereist vaak een hoge belasting van nanodeeltjes, wat de elektrische geleidbaarheid verhoogt, waardoor de doorslagsterkte in gevaar komt.

In een onderzoek gepubliceerd in het dagboek Geavanceerde poedermaterialeneen team van onderzoekers van de Central South University in Changsha, China, stelde een nieuwe, eenvoudige strategie voor om gezamenlijk de doorslagsterkte en elektrische polarisatie voor diëlektrica te verbeteren.

“Onze strategie stelt ons in staat om gelijktijdig de constructie van in-vlak georiënteerde BaTiO2 te realiseren₃ nanodraadvulstoffen en kristallisatiemodulatie van de polyvinylideenfluoride (PVDF)-matrix in een in-situ uniaxiaal rekproces”, legt de senior en corresponderende auteur van de studie Dou Zhang uit.

Vergeleken met nuldimensionale nanodeeltjes hebben eendimensionale nanodraden met hoge aspectverhoudingen een hoge polariseerbaarheid en een groot dipoolmoment in de longitudinale richting, waardoor ze effectiever zijn bij het verbeteren van de permittiviteit van composieten bij lagere belastingsniveaus, terwijl de elektrische veldbestendigheid behouden blijft.

Het onderzoek toonde aan dat hoge rekspanning de ultrahoge polaire β-fase induceerde en de Young-modulus verbeterde, wat een gelijktijdige toename van zowel elektrische verplaatsing als doorslagsterkte van de polymeermatrix mogelijk maakte. Met name de resultaten van de eindige-elementensimulatie onthulden dat de georiënteerde distributie van nanodraden de contactwaarschijnlijkheid van nanodraadpunten vermindert, waardoor de concentratie van het elektrische veld wordt verminderd en het doorslagpad wordt gehinderd.

“Het nieuw ontworpen uitgerekte PVDF-gebaseerde nanocomposiet kan werken met een spanningsduurzaamheid van maar liefst 843,0 kV/mm en tegelijkertijd een energiedichtheid van 40,9 J/cm leveren³“Dit is veruit de beste capacitieve prestatie die ooit is bereikt in polymeerdiëlektrica”, voegt Zhang toe.