Strategie verbessert Durchschlagsfestigkeit und Polarisation in dielektrischen Nanokompositen

Elektrostatische Kondensatoren sind eine Schlüsselkomponente in Hochleistungsimpulsgeräten, in der Energieübertragungs- und -umwandlungstechnik, in Fahrzeugen mit alternativer Antriebstechnik und in der 5G-Kommunikation. Ihre Fähigkeit zum ultraschnellen Laden und Entladen sowie ihre ultrahohe Leistungsdichte sind ausschlaggebend für ihre Leistung.

Ihre relativ geringe Kapazität und Energiedichte schränken jedoch ihre schnelle Entwicklung hin zu leichtgewichtigen, flexiblen und integrierten elektrischen und elektronischen Geräten ein. Die Überwindung des Engpasses bei der Energiedichte von Dielektrika ist daher zu einem Forschungsschwerpunkt geworden, der dringend Aufmerksamkeit erfordert.

Elektrische Durchschlagsfestigkeit und Permittivität bzw. Polarisation sind zwei Schlüsselparameter für eine hohe Energiedichte im Dielektrikum. Eine der gängigsten Strategien besteht darin, verschiedene keramische Nanopartikel wie BaTiO3, SrTiO3 und andere in eine hochisolierende Polymermatrix einzuarbeiten, um ihre jeweiligen Vorteile zu nutzen. Um jedoch eine signifikante Erhöhung der Permittivität zu erreichen, ist häufig eine hohe Beladung mit Nanopartikeln erforderlich, was tendenziell die elektrische Leitfähigkeit erhöht und damit die Durchschlagsfestigkeit beeinträchtigt.

In einer Studie veröffentlicht im Journal Fortschrittliche PulvermaterialienEin Forscherteam der Central South University in Changsha (China) hat eine neue, einfache Strategie vorgeschlagen, um die Durchschlagsfestigkeit und elektrische Polarisation von Dielektrika gemeinsam zu verbessern.

„Unsere Strategie ermöglicht es uns, gleichzeitig die Konstruktion von in der Ebene orientierten BaTiO3-Nanodraht-Füllstoffen und die Kristallisationsmodulation der Polyvinylidenfluorid-(PVDF)-Matrix in einem in-situ-uniaxialen Dehnungsprozess zu erreichen“, erklärt der leitende 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, wodurch sie die Permittivität von Verbundwerkstoffen bei niedrigeren Belastungsstufen wirksamer verbessern und gleichzeitig die elektrische Feldbeständigkeit aufrechterhalten.

Die Forschung hat ergeben, dass hohe Dehnungsspannungen die ultrahochpolare β-Phase induzieren und den Elastizitätsmodul erhöhen, was eine gleichzeitige Erhöhung sowohl der elektrischen Verschiebung als auch der Durchschlagfestigkeit der Polymermatrix ermöglicht. Insbesondere zeigten die Ergebnisse der Finite-Elemente-Simulation, dass die orientierte Verteilung der Nanodrähte die Kontaktwahrscheinlichkeit der Nanodrahtspitzen verringert, wodurch die Konzentration des elektrischen Felds verringert und der Durchschlagspfad behindert wird.

„Das neu entwickelte Nanokomposit auf Basis von gestrecktem PVDF ist in der Lage, mit einer Spannungsfestigkeit von bis zu 843,0 kV/mm zu arbeiten und gleichzeitig eine Energiedichte von 40,9 J/cm3 zu liefern. Dies ist bei weitem die beste kapazitive Leistung, die jemals bei Polymerdielektrika erreicht wurde“, fügt Zhang hinzu.