Eine Strategie verbessert die Bruchzähigkeit und Polarisation in dielektrischen Nanokompositen

Elektrostatische Kondensatoren sind ein wichtiger Bestandteil von Hochleistungsimpulsgeräten, der Energieübertragungs- und -umwandlungstechnik, neuen Energiefahrzeugen und der 5G-Kommunikation. Ihre ultraschnelle Lade-/Entladefähigkeit und ihre ultrahohe Leistungsdichte sind der Schlüssel zu ihrer Leistung.

Ihre relativ geringe Kapazität und Energiedichte schränken jedoch ihre schnelle Entwicklung hin zu leichten, flexiblen und integrierten elektrischen und elektronischen Geräten ein. Die Überwindung des Energiedichteengpasses von Dielektrika ist daher zu einem dringenden Forschungsthema geworden, das besondere Aufmerksamkeit erfordert.

Elektrischer Durchschlagswiderstand und Permittivität bzw. Polarisation sind zwei Schlüsselparameter für eine hohe Energiedichte im Dielektrikum. Eine der gängigsten Strategien ist der Einbau verschiedener keramischer Nanopartikel wie BaTiO₃SrTiO₃unter anderem in einer hochisolierenden Polymermatrix, um ihre jeweiligen Vorteile zu nutzen. Um eine deutliche Erhöhung der Permittivität zu erreichen, ist jedoch häufig eine hohe Beladung mit Nanopartikeln erforderlich, was tendenziell zu einer Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit und damit zu einer Beeinträchtigung der Durchschlagsfestigkeit führt.

In einer in der Zeitschrift veröffentlichten Studie Fortschrittliche PulvermaterialienEin Forscherteam der South Central University in Changsha, China, schlug eine neue einfache Strategie vor, um gemeinsam die Durchschlagsfestigkeit und elektrische Polarisation für Dielektrika zu verbessern.

„Unsere Strategie ermöglicht es uns, gleichzeitig den Aufbau von BaTiO orientiert in der Ebene durchzuführen₃ „Nanodrahtladungen und Kristallisationsmodulation der Polyvinylidenfluorid (PVDF)-Matrix in einem einachsigen In-situ-Streckprozess“, erklärt der Haupt- und korrespondierende Autor der Studie Dou Zhang.

Im Vergleich zu nulldimensionalen Nanopartikeln weisen eindimensionale Nanodrähte mit hohen Aspektverhältnissen eine hohe Polarisierbarkeit und ein großes Dipolmoment in Längsrichtung auf, was sie bei der Verbesserung der Permittivität des Verbundwerkstoffs bei niedrigeren Belastungsniveaus effektiver macht und gleichzeitig die Lebensdauer des Stroms aufrechterhält Feld.

Die Forschung zeigte, dass hohe Verformungsspannungen die ultrapolare β-Phase induzieren und den Elastizitätsmodul erhöhen, was eine gleichzeitige Erhöhung der elektrischen Verschiebung und der Bruchzähigkeit der Polymermatrix ermöglicht. Bemerkenswerterweise zeigten die Ergebnisse der Finite-Elemente-Simulation, dass die orientierte Verteilung der Nanodrähte die Verringerung der Kontaktwahrscheinlichkeit der Nanodrahtspitzen fördert, wodurch die elektrische Feldkonzentration abgeschwächt und der Bruchweg behindert wird.

„Das neu entwickelte gestreckte Nanokomposit auf PVDF-Basis ist in der Lage, mit einer Spannungsfestigkeit von bis zu 843,0 kV/mm zu arbeiten und gleichzeitig eine Energiedichte von 40,9 J/cm zu liefern³„Das ist mit Abstand die beste kapazitive Leistung, die jemals bei Polymerdielektrika erreicht wurde“, fügt Zhang hinzu.