中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院先進(jìn)電子材料研究中心于淑會(huì)與孫蓉團(tuán)隊(duì)在提高聚合物復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度和靜電能量密度研究取得進(jìn)展。相應(yīng)成果“Nanoparticles with rationally designed isoelectronic traps as fillers significantly enhance breakdown strength and electrostatic energy density of polymer composites(通過(guò)合理設(shè)計(jì)具有等電子阱的納米粒子作為填料提高聚合物復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度和靜電能量密度)”于 2020 年 7 月 28 日發(fā)表在 Composites Science and Technology 上。

電氣和電子系統(tǒng)小型化的發(fā)展進(jìn)程，迫切需要研發(fā)具有高能量密度和高充放電效率的電介質(zhì)聚合物納米復(fù)合材料。提高復(fù)合材料能量密度的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是抑制復(fù)合材料中載流子的運(yùn)動(dòng)，這直接關(guān)系到材料的電擊穿強(qiáng)度以及充放電效率。因此，通過(guò)對(duì)填料的理化性質(zhì)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，使其具備束縛載流子運(yùn)動(dòng)的能力，將有效提高復(fù)合材料的放電能量密度及充放電效率，使得聚合物復(fù)合薄膜在電子電力系統(tǒng)小型化發(fā)進(jìn)程中發(fā)揮作用。

該研究利用固相反應(yīng)法將 ZnS(硫化鋅)中的一部分 S 元素用 O 元素取代制備了 ZnS:O 納米顆粒。由于 S 元素和 O 元素之間的電負(fù)性差異(ΔEN＝0.86)，在 ZnS:O 納米顆粒中形成等電子陷阱，可以在一定程度上束縛空間電荷，并抑制空間電荷的移動(dòng)。以 ZnS:O 納米顆粒為填料，采用二次分散法將其引入到聚偏氟乙烯(PVDF)基體中制備了 ZnS:O/PVDF 復(fù)合薄膜。

結(jié)果顯示，ZnS:O/PVDF 復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度 Eb高達(dá) 6 000 kV/cm，能量密度可達(dá) 14.4 J/cm3，分別是純 PVDF(Eb～3183 kV/cm，4.6 J/cm3)的 2 倍和 3 倍以上，并且高于以 ZnS 為填料的 PVDF 基復(fù)合材料。此外，等電子陷阱結(jié)構(gòu)的引入也使得 ZnS:O/PVDF 復(fù)合材料的充放電效率高達(dá) 97%。

該研究以設(shè)計(jì)具有特定物理特性的納米顆粒為出發(fā)點(diǎn)，首次從等電子陷阱的角度提升復(fù)合材料的電擊穿強(qiáng)度，突破了常規(guī)填料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的局限。從電擊穿及損耗的產(chǎn)生機(jī)理入手，通過(guò)人為引入勢(shì)阱來(lái)抑制載流子的運(yùn)動(dòng)，從根本上提升復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度和放電能密度，并降低介電損耗。這為復(fù)合介電材料的發(fā)展提供了新的研究思路，為電子、電力系統(tǒng)的集成化和小型化發(fā)展提供了更多的可能。

晶格中的空間電荷移動(dòng)示意圖[1][1] Yu JY, Ding SJ, Yu SH, et al. Nanoparticles with rationally designed isoelectronic traps as fillers significantly enhance breakdown strength and electrostatic energy density of polymer [J]. Composites Science and Technology, 2020, 195: 108201.