“絕緣”又“導熱”，突破尖端電子裝備發展瓶頸

　　聚合物是一類重要的電工絕緣材料，然而聚合物材料的導熱性普遍性較差，提升聚合物的導熱性往往以犧牲絕緣性能為代價。“絕緣和導熱的矛盾”是制約聚合物材料在尖端電氣電子裝備應用的瓶頸之一。

　　3月2日，《自然》刊發上海交通大學化學化工學院教授黃興溢團隊與合作者的最新研究成果。研究人員通過等規鏈段層狀排列構建陣列化納米區域，并在陣列化納米區域中引入親電陷阱基團，在大幅提升柔性聚合物電介質薄膜導熱性能的基礎上使電阻率提升了一個數量級，解決了聚合物材料導熱和絕緣的矛盾。這種聚合物電介質薄膜性能穩定，且具有良好擊穿自愈性，因此在電磁能裝備、新能源汽車、電力電子等領域將有廣闊應用前景。

　　雙鏈結構聚合物電介質薄膜分子結構和自組裝形貌 上海交大供圖

　　導熱和絕緣矛盾

　　聚合物電介質薄膜電容器具有極高的能量轉換速率，在電磁能裝備、電力電子以及新能源裝備等領域的作用至關重要。隨著裝備、器件往緊湊化、輕量化、工作環境極端化方向發展，對聚合物電介質薄膜儲能密度及耐高溫性能的要求越來越高。

　　電荷存儲密度和電場強度的平方成正比。因此，電介質薄膜承受電場的能力增強，電荷存儲密度就會快速增加。然而，聚合物薄膜在高電場下以電子電導為主，不再符合歐姆定律，電導電流隨電場強度增加呈指數增大，會產生大量的熱。

　　傳統聚合物電介質的導熱系數普遍較低，且散熱效率也很低，這會造成介質溫度快速升高，進而引起電導指數增加、耐電強度急速降低等連鎖反應，造成器件、裝備失效等嚴重問題。盡管可以通過引入納米添加等方式增加聚合物電介質的導熱系數，但這往往以犧牲耐電強度為代價，更重要的是，納米添加給薄膜制造工藝也帶來極大挑戰。因此，開發耐高溫、本征高導熱的聚合物電介質薄膜是最好選擇。

　　設計雙鏈結構共聚物

　　為解決此類問題，黃興溢團隊設計出一種雙鏈結構共聚物（PSBNP-co-PTN）。該共聚物通過π-π堆疊作用自組裝成高度有序陣列。通過偏振拉曼光譜測試發現，共聚物薄膜的偏振信號在平面上呈各向同性，在斷裂面上呈各向異性。

　　“這表明有序陣列平行于表面，因此，電介質薄膜在垂直平面方向表現出高導熱系數。”黃興溢說。

　　研究團隊通過密度泛函理論分析和熱刺激電流實驗發現，這種共聚物的鏈結構段間，存在深度為1.51 eV的電荷陷阱，且隨著外電場強度增加，電荷陷阱深度進一步增大。在PSBNP有序陣列中引入一定量的PTNI分子，共聚物能表現出最優的電氣絕緣性和最高的電擊穿強度。電極化儲能測試表明，其最大放電能量密度遠優于現有的聚合物及其復合電介質薄膜。

　　突破電子裝備發展瓶頸

　　普通聚合物和聚醚酰亞胺（PEI，已知最好的商品耐高溫聚合物電介質薄膜）連續充-放電循環過程中的發熱現象，在這種高導熱的共聚物電介質薄膜中并未出現，研究人員甚至未觀察到局部熱積聚現象。實驗證明，這種共聚物電介質薄膜連續充-放電循環壽命是PEI薄膜的6倍。

　　值得一提的是，該薄膜的碳含量相對較低，這賦予了其優異的自愈性，電鏡圖像清晰顯示了電擊穿區域四周的鋁金屬電極被蒸發除去，碳化通道孤立于金屬電極，使擊穿后的金屬化聚合物薄膜整體仍保持高絕緣性。自愈后的儲能性沒有出現明顯劣化，仍能進行連續充-放電循環。

　　“這種共聚物電介質薄膜厚度方向的本征導熱系數為1.96 ± 0.06 W/(mK)，是目前報道的絕緣聚合物本征導熱系數的最高值。”該論文共同第一作者、助理研究員陳杰介紹說，“共聚物電介質薄膜在50000次充-放電循環后儲能性依然穩定，且具有良好擊穿自愈性。”

　　“這一研究是電氣工程、化學、材料、工程熱物理等多學科的深度交叉融合。”黃興溢介紹說，上海交通大學江平開教授、朱新遠教授、于春陽副研究員、錢小石教授、鮑華教授，以及西安交通大學李盛濤教授和西南交通大學吳廣寧教授都參與了本項研究。

　　目前，相關技術已獲發明ZL授權，相關產品將在電磁能裝備、新能源汽車、電力電子等領域得到廣泛應用。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05671-4