知識貼:如何提高材料的介電強度(上篇)

2021-02-13 介電高分子材料

眾所周知，擊穿強度決定了適用於電介質的最高電場。當外加電場超過擊穿強度時，會發生不可逆的介質損傷，使儲能電容器不能進行充放電循環。在儲能公式我們中注意到的，能量密度與線性電介質的擊穿強度呈二次關係。對於非線性電介質，由於電位移仍然與外加電場成正比，能量密度由電位移和外加電場共同決定，二次律仍然是有意義。也就是說，擊穿場強的提高會進一步增強材料的儲能密度。那麼，如何提高（複合）材料的擊穿場強？本期知識貼淺談提高擊穿場強的幾種方法。

眾所周知，在弱電場中，電介質內的電流與外加電場呈線性關係，這就是熟知的歐姆定律。但是隨著電場的增強，電流會偏離歐姆定律，不在按照線性關係上升，而是隨外加電壓的增大按冪函數或指數關係上升。特別當外加電壓U達到某一臨界值時，電流I會急劇增加，此時dI/dU→∞，電介質從絕緣狀態轉變為導電狀態，該現象被稱為介質擊穿。

原則上，擊穿過程在現象學上被定義為擊穿路徑的增長。在此過程中，本徵擊穿強度較低或電場濃度較高的區域首先發生擊穿，擊穿相轉變為導體而不是絕緣體。隨後，隨著電極間電場的進一步升高，擊穿區開始長大並收斂。當擊穿路徑通過連接兩個電極的納米複合材料時，就會發生整體擊穿。

聚合物介電性質隨其組分的變化

根據電介質被擊穿的時間不同，可分為長時擊穿和短時擊穿；而短時擊穿中，按照電介質擊穿機理不同，又可分為電子擊穿、熱擊穿、機械擊穿和次級效應擊穿等。常見的固體電介質擊穿的各種現象和理論總結如下表所示。

固體電介質的擊穿類型

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那麼如何提高（複合）材料的擊穿強度，本期簡要從界面修飾、調控擊穿路徑和抑制載流子遷移這三個維度進行分析。

對於常見的聚合物複合材料，擊穿強度的下降主要歸因於高介電常數的陶瓷與低介電常數的聚合物界面處的電場畸變[1,2]，以及相鄰納米顆粒之間的可能接觸和結構缺陷[3]，而這些缺陷在聚合物/陶瓷納米複合材料中普遍存在。

通過改善有機/無機界面的相容性和調節局部界面的電學和介電行為，來改善陶瓷/聚合物界面的改性方法，可有效地緩解結構缺陷或界面介電失配引起的擊穿強度下降。然而，與原始聚合物相比，有效地提高擊穿強度仍然很難實現。解決上述問題的有效方法是通過用有機塗層修飾納米填料的表面來裁剪修飾界面。常見的有機塗層很過，比如近年來大火的多巴胺，具體的有機塗層種類這裡就不一一列舉了。為了進一步提高界面強度，人們致力於開發具有緊密結合的聚合物殼的納米填料（核殼結構修飾方法可參考黃興溢老師相關綜述：DOI: 10.1002/adma.201401310）。

除了上述方法提高聚合物側的界面強度外，另一種方法是通過引入分級結構來改性納米填料。由於電場畸變是由介電常數相差較大的納米填料與聚合物基體直接接觸引起的，通過引入介電常數與聚合物基體接近或低於聚合物基體的陶瓷外塗層可以減小電場畸變。秉承這種思路，設計多層結構或分級結構的聚合物可在保持較高介電常數的同時，提高其擊穿場強從而增強材料的儲能密度。在這方面清華沈洋、李琦、南策文老師團隊和西交汪宏老師團隊有著突出的研究進展（感興趣的小夥伴可以搜索相關文章學習）。

我們知道電樹枝是電介質在不均勻電場中的擊穿路徑。由於界面可能是首先分解的薄弱環節，因此它們也可以作為電樹枝生長過程的指南。除了界面外，納米填料的引入也帶來了電場的重新分布，應重新考慮局部擊穿行為和擊穿路徑的增長。因此，通過改變納米填料的形狀、分布和取向，可以通過增加路徑彎曲度，提高觸發整體擊穿的臨界電場，有效地提高擊穿強度。

近期研究發現，具有大長徑比的陶瓷納米填料，如1D納米纖維和2D納米片，可提高聚合物基質的擊穿強度[4–7]，因為這些平面內排列的納米纖維和納米片導致了擊穿期間電樹枝過程中的路徑彎曲度的增加。那麼具體如何調控？如何建立填料形狀、分布、取向與材料擊穿強度的關係？更多乾貨內容請見下期。

參考文獻

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