聚醚酰亚胺基全有机复合电介质的高温储能特性研究
薄膜电容器具有耐压高、无感性、低损耗、使用寿命长等优点，在高压柔性直流输电、电动汽车、新能源并网、脉冲电源与便携式电子产品等领域发挥着关键作用。目前商用薄膜电容材料的工作温度较低，与电容器的实际工作环境温度不匹配。随着相关设备的工作温度进一步升高，对于电介质电容器用薄膜温度稳定性的要求更加严苛。聚醚酰亚胺具有优异的温度稳定性和高温储能性能，被认为是最具潜力代替双向拉伸聚丙烯的材料，但在应用方面仍存在诸多问题。首先，聚醚酰亚胺对湿度的高度敏感性，不利于其产业化应用。其次，高温下载流子注入和传导会引起电导损耗剧增，造成聚醚酰亚胺薄膜高温储能性能劣化。降低电介质高温下传导损耗是提高介质高温储能性能的根本方法。探究载流子输运机理、提出有效降低电介质高温损耗的有效方法对于提高电介质高温（≥100℃）储能性能具有重要意义。为解决聚醚酰亚胺存在的问题，本文进行了一系列研究。 首先，通过控制密闭静电纺丝腔室的环境湿度，结合烘干、热压工艺制备得到了不同制备环境湿度影响的聚醚酰亚胺薄膜，探究了制备环境湿度对聚醚酰亚胺薄膜微观结构、极化、击穿和储能等性能的影响规律。研究发现，随着环境湿度增大，聚醚酰亚胺薄膜的相对介电常数先减小后增大，击穿强度和最大储能密度均先增大后减小。X射线光电子能谱显示，空气中的水分子在聚醚酰亚胺薄膜内部留下一定数量的羟基，这些羟基对聚醚酰亚胺中某些极性基团的翻转产生一定的阻碍作用，从而影响了薄膜的极化性能。电子显微镜和原子力显微镜扫描结果显示，静电纺丝环境湿度能够影响静电纺丝得到的聚醚酰亚胺纤维的形态，影响热压后薄膜表面的微观结构，从而对电介质薄膜的击穿性能产生较大影响。通过以上研究，确定了最有利于聚醚酰亚胺薄膜储能应用的制备环境湿度。 其次，在制备湿度对聚醚酰亚胺储能性能影响研究的基础上，基于聚合物的前线分子轨道能级，提出了一种纤维增强结构复合介质的设计方法。利用同轴静电纺丝技术制备了同轴纳米纤维，其中混有有机半导体的电子亲合能大、玻璃化转变温度高的聚酰亚胺作为纤维内层，电子亲合能小、玻璃化转变温度更低的聚醚酰亚胺作为外层。将纤维毡在合适的热压温度下进行热压，得到了高玻璃化转变温度聚合物纤维在聚醚酰亚胺基体中连续分布的复合电介质。通过控制内外前驱体的推速比制备了不同聚酰亚胺含量的复合电介质，探究了聚酰亚胺纤维含量对电介质高温储能性能的影响规律。研究发现，随着聚酰亚胺含量增大，电介质的高温击穿强度先增大后降低，与纯聚醚酰亚胺相比击穿强度有很大提升。纤维增强结构能够实现载流子沿纤维曲折移动，提高介质击穿强度。但纤维含量过高时，低载流子移动路径的曲折度降低，这种增强效果有所降低。在以上研究基础上，进一步地在纤维内层中添加不同含量的具有高电子亲合能的有机半导体，研究有机半导体含量对复合介质高温储能特性的影响规律。最终获得了高温击穿强度和储能密度均有所提高的复合介质，阐明了介质高温储能性能的综合优化机制。 最后，为了进一步提高聚醚酰亚胺基复合介质的高温储能性能，通过静电纺丝和热压技术制备了一种有机半导体共混多层结构。保持有机半导体的总量不变，改变共混层的厚度和层内有机半导体的体积比，制备了一系列复合电介质。分别探究了共混层内有机半导体密度和共混层位置对复合介质储能性能的影响规律。结果显示，随着半导体密度增大和共混层位置向中心移动，复合介质的高温击穿和储能密度均先增大后减小。当共混层中有机半导体的体积含量为0.5vol%、共混层距电极距离占电介质总厚度的28%时，复合电介质具有最优异的高温储能特性。利用有限元仿真模拟和电流-电场测试曲线，分析了有机半导体密度和共混层位置影响介质高温储能特性的内在机理，阐明了电介质高温储能特性的提升机制。 本工作探究了静电纺丝制备过程中环境湿度对介质储能性能的影响规律，对高性能聚醚酰亚胺电容薄膜的规模化制备提供有力支撑。基于有机材料的前线分子轨道能级设计，提出的两种新型结构复合介质的高温储能性能在储能电介质研究领域中具有领先水平，为储能型聚合物基复合介质的开发提供了新思路，对新型高温储能材料的快速研发具有重要的理论价值和现实意义。
薄膜电容器;全有机储能电介质;静电纺丝;储能密度;耐温特性
哈尔滨理工大学
博士
高电压与绝缘技术
迟庆国;冯宇
2022
中文
TM53
2023-08-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）