【編號】2023-66

【題名】摻雜改性PMMA/PVDF共混聚合物基復合介質的儲能性能提升

【作者】張昌海，閆煒東，張統欽等

【機構】哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院；許繼電氣股份有限公司柔性輸電分公司，高壓技術試驗中心；哈爾濱理工大學機械動力學院

【刊名】復合材料學報（2023年07期）

【文摘】薄膜電容器在高壓輸電換流站、新能源汽車電驅動控制器、電磁武器脈沖功率電源等電氣工程和電子器件領域具有重要應用。當前薄膜電容器正向著高能量密度、耐電壓、耐高溫等技術方向發展，對電容薄膜的電氣性能提出了更高要求。本文選擇鐵電聚偏氟乙烯(PVDF)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)共混物作為儲能聚合物基體，以具有高介電常數的納米粒子BaTiO₃ 和具有高電子親和能的有機分子半導體[6，6]-苯基C61丁酸甲酯(PCBM)作為摻雜相，綜合利用BaTiO₃ 的高介電特性及PCBM的捕獲電荷能力，提高復合介質的極化強度與擊穿場強，顯著改善儲能性能。研究表明，單摻雜BaTiO₃ 時，摻雜含量為 3wt%時復合介質綜合性能最優；在此基礎上，隨著PCBM摻雜含量增大其儲能密度和充放電效率提升明顯。當PCBM摻雜含量為 2wt%時，含有 3wt%BT的PMMA/PVDF復合介質具有優異的儲能性能，當電場為 579.67kV/mm時，放電能量密度達到 15.60J/cm³ 且充放電效率為 75.30%。本文首次提出基于少量無機高介電協同有機分子半導體功能填料的聚合物薄膜儲能性能改性研究，通過加入少量的BaTiO₃，既避免了由于BaTiO₃ 含量過高而導致的絕緣性能下降問題，又保證了BaTiO₃ 粒子對復合介質介電常數和極化性能的提升。同時，為了進一步改善因低介電常數基體與高介電常數BaTiO₃ 顆粒之間的電場畸變所導致的擊穿強度下降問題，考慮在復合介質中加入一定量的PCBM，利用PCBM強大的電子親和能力，在復合介質中構筑深陷阱以捕獲和束縛載流子，抑制載流子的遷移，提升復合介質的擊穿場強，從而綜合提升了復合介質的儲能性能，這為開發儲能性能優異的聚合物復合介質提供了一種新思路。