提高介电纳米复合材料击穿强度和极化的策略

静电电容器是大功率脉冲设备、输变电工程、新能源汽车和5G通信的关键部件。它们的超快充放电和超高功率密度能力对其性能至关重要

尽管如此，它们相对较低的电容和能量密度限制了它们在电气和电子设备中向轻量化、柔性、集成化趋势的快速发展。因此，克服电介质的能量密度瓶颈已成为迫切需要关注的研究热点

击穿强度和介电常数或极化是电介质中高能量密度的两个关键参数。最常见的策略之一是将各种陶瓷纳米粒子（如BaTiO3、SrTiO3等）掺入高绝缘聚合物基质中，以利用其各自的优势。然而，实现介电常数的显著增加通常需要高负载的纳米粒子，这往往会增加电导率，从而影响击穿强度

在《先进粉末材料》杂志上发表的一项研究中，来自中国长沙中南大学的一个研究小组提出了一种新的简单策略，以实现电介质击穿强度和极化的协同增强

“我们的策略使我们能够在原位单轴拉伸过程中同时实现平面取向BaTiO3纳米线填料的构建和聚偏二氟乙烯（PVDF）基体的结晶调节，”该研究的资深通讯作者Dou Zhang解释道

与零维纳米颗粒相比，具有高纵横比的一维纳米线在纵向具有高极化率和大偶极矩，使其在保持电场耐受性的同时，在较低负载水平下更有效地提高复合材料的介电常数

研究证明，高应变应力诱导了超高极性β相并增强了杨氏模量，促进了聚合物基体的电位移和击穿强度的同时增加。值得注意的是，有限元模拟结果表明，纳米线的定向分布有利于降低纳米线尖端的接触概率，从而减轻电场集中并阻碍击穿路径

“新设计的拉伸PVDF基纳米复合材料能够以高达843.0 kV/mm的电压耐受性运行，同时提供40.9 J/cm3的能量密度。这是迄今为止聚合物电介质中实现的最佳电容性能，”张补充道