par KeAi Communications Co.
Les condensateurs électrostatiques sont un élément clé des équipements à impulsions de haute puissance, de l’ingénierie de transmission et de transformation de puissance, des véhicules à énergie nouvelle et de la communication 5G. Leur capacité de charge/décharge ultra-rapide et leur densité de puissance ultra-élevée sont essentielles à leurs performances.
Néanmoins, leur capacité et leur densité énergétique relativement faibles limitent leur développement rapide vers la tendance des équipements électriques et électroniques légers, flexibles et intégrés. Surmonter le goulot d’étranglement de la densité énergétique des diélectriques est donc devenu un point de recherche urgent qui nécessite une attention particulière.
La résistance à la rupture électrique et la permittivité, ou polarisation, sont deux paramètres clés pour une densité énergétique élevée dans le diélectrique. L’une des stratégies les plus courantes consiste à incorporer diverses nanoparticules céramiques telles que BaTiO3, SrTiO3, entre autres, dans une matrice polymère à haute isolation pour tirer parti de leurs avantages respectifs. Cependant, pour obtenir une augmentation significative de la permittivité, il faut souvent une charge élevée de nanoparticules, ce qui tend à augmenter la conductivité électrique, compromettant ainsi la résistance à la rupture.
Dans une étude publié dans le journal Matériaux en poudre avancésune équipe de chercheurs de l’Université du Centre-Sud de Changsha, en Chine, a proposé une nouvelle stratégie facile pour réaliser une amélioration collaborative de la résistance au claquage et de la polarisation électrique pour les diélectriques.
« Notre stratégie nous permet de réaliser simultanément la construction de charges de nanofils de BaTiO3 orientées dans le plan et la modulation de la cristallisation de la matrice de polyfluorure de vinylidène (PVDF) dans un processus d’étirement uniaxial in situ », explique Dou Zhang, auteur principal et correspondant de l’étude.
Comparés aux nanoparticules zérodimensionnelles, les nanofils unidimensionnels à rapports d’aspect élevés présentent une polarisabilité élevée et un grand moment dipolaire dans la direction longitudinale, ce qui les rend plus efficaces pour améliorer la permittivité du composite à des niveaux de charge inférieurs tout en maintenant l’endurance du champ électrique.
Les recherches ont démontré que les contraintes de déformation élevées induisent la phase β ultra-polaire et améliorent le module de Young, facilitant une augmentation simultanée du déplacement électrique et de la résistance à la rupture de la matrice polymère. Les résultats de la simulation par éléments finis ont notamment révélé que la distribution orientée des nanofils favorise la réduction de la probabilité de contact des pointes des nanofils, atténuant ainsi la concentration du champ électrique et entravant le chemin de rupture.
« Le nanocomposite à base de PVDF étiré nouvellement conçu est capable de fonctionner avec une endurance de tension aussi élevée que 843,0 kV/mm et de fournir simultanément une densité d’énergie de 40,9 J/cm3. Il s’agit de loin de la meilleure performance capacitive jamais atteinte dans les diélectriques polymères », ajoute Zhang.
Plus d’information:
Ru Guo et al, Densité d’énergie ultra-élevée dans les nanocomposites diélectriques en modulant l’orientation des nanocharges et le comportement de cristallisation des polymères, Matériaux en poudre avancés (2024). DOI: 10.1016/j.apmate.2024.100212
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