文摘

介绍一个进度更新nanodielectric复合材料的发展对各种高能电场可调谐性,高功率电器应用。这是证明了非线性电/介电性能可以通过纳米结构和接口工程实现。高度总结了所取得的进展,以及挑战留在nanodielectric工程对高能量密度电容器能量储存和转换,非线性电介质可调装置,高压浪涌抑制压敏电阻。

1。介绍

可再生能源应用的快速扩张要求更高的效率和更高的能量存储密度和能量转换系统(1,2]。需要各种直粱、农用转换太阳能和风能农场,而中小学电化设备运输和通信应用程序的需要。先进的设备和组件是这些新兴应用的关键推动者。作为一个例子,在一个典型的电气转换器/逆变器技术发展水平直流环节电容约30%总容积和重量。此外,广泛的使用风能和太阳能等可再生能源资源的帖子在电网稳定的挑战。先进的被动和主动的设备需要未来电网谐波过滤、静态/动态伏安(VAR)无功补偿,瞬变抑制等等(3,4]。

所有这些先进设备和未来电力基础设施依赖材料工程的突破和更好地理解物理设备(1]。例如,高介电常数材料的发展和行为的理解非常高电场下的介电材料是能量储存的关键应用程序(5]。此外,更好地理解和控制电荷传输交叉接口为非线性设备是至关重要的。纳米技术的发展提供了一个独特的机会来工程师材料的电性质与微观结构控制,这样可以极大地增强了(1,6]。另一方面,介电响应的材料可以用来促进纳米结构的形成7]。摘要进展更新作为典型案例nanoenabled复合材料的发展对高能量密度电容器能量储存和转换,现场可调非线性电介质,小型压敏电阻高电压/电流瞬变抑制。

2。实验

在这个调查,polyetherimide (PEI),硅胶,氰乙基纤维素、聚酰亚胺和聚(亚乙烯基二氟化物)被用作聚合物矩阵进行调查。纳米粒子的利益包括硅的氧化物,铌,铝、锌、铋、锑、钴、钛、钛酸钡和锆酸铅,粒径在10到100纳米的范围。聚合物纳米复合材料是由第一个溶解聚合物树脂在溶剂在室温磁搅拌器,然后用纳米颗粒混合2-50卷%的高能超声发生器(超音速&材料有限公司新城,CT)。电影是溶剂投到上一载玻片在100°C和干了两个小时后跟一个真空干燥一夜之间在120°C到150°C。陶瓷复合材料的配方至少85摩尔%氧化锌和其他氧化物添加剂。传统的混合氧化物过程用于粉处理。绿色压缩1′′直径按下使用一个单轴液压机,然后烧结的温度在850 - 1000°C。

直流击穿试验后进行了ASTM D149(方法一)使用ball-plane电极配置。样品沉浸在绝缘油和直流电压应用以斜坡500 V / s的速度,直到样品失败了。使用宽带介电响应测量从Novacontrol GmbH介电谱仪。扫描电子显微镜(SEM)成像是使用蔡司上55 vp(卡尔蔡司AG)、从、德国)。透射电子显微镜(TEM)成像是使用范Tecnai F20透射电子显微镜。

3所示。结果和讨论

高能量密度电容器电介质,字段可调复合电介质和金属氧化物压敏电阻(mov)本节作为例子来演示实现电气/通过nanodielectric介电性能和界面工程实现上述发展需求。

3.1。Nanofilled聚合物薄膜电容器

电容器代表一个大家庭non-Faradic储能组件用于应用程序从电路板系列电容补偿解耦银行输电类。先进的高分子薄膜电容器主要基于低介电常数聚合物聚丙烯或聚酯等。电容器的能量密度高一个自然方法的合成高介电常数介电强度较高的复合材料中加入陶瓷填料聚合物矩阵。这是因为薄膜电容器的能量密度的简单形式,K是介电常数和聚合物薄膜的介电强度。

虽然介电常数可以增加在某种程度上在更高的粒子加载水平,提高绝缘强度仍然是一个巨大的挑战。相反,增加粒子超过10 wt %通常会导致聚合物的介电强度的巨大损失。图1是一个图形化直流击穿强度的比较各种nanofilled裴电影。有更多的导电填料,降低击穿强度并不奇怪。然而,击穿强度较高的绝缘陶瓷填料不改善纳米复合材料的电场的耐力。

减小粒径,增加界面分数和particle-polymer界面附着力也变得至关重要。贫穷与聚合物基质粒子分散和交互图所示2(一个)和2 (b)。可以看出,干氧化铝和二氧化硅粒子凝聚并保持在分散不匀即使混合使用高能超声振动。高表面能和新化学在纳米颗粒表面往往债券将粒子紧密结合。

为了减少粒子表面效应,胶体粒子已经分散在溶剂与聚合物树脂采购和混合在湿状态。图2 (c)显示前体SiO的形象₂粒子。后执行polyamic酸的原位聚合,聚合物纳米复合材料包含5卷% SiO₂纳米粒子合成。伟大的粒子分散实现如图2 (d)。为了实现高能量密度nanodielectric复合,提高介电常数之间的妥协和绝缘强度降低时nanodielectric工程方向。

3.2。现场可调非线性复合材料

nanodielectric工程的成功取决于几个因素,包括(1)高介电常数的聚合物矩阵,(2)高介电常数较低的陶瓷填料(滞后)的损失,(3)适当的分散,(4)填料和聚合物基质之间的良好接口8,9]。这变得更加关键,当粒子极性增加导致更高的介电常数。在铁电陶瓷材料在极地(FE)和antiferroelectric (AFE)粒子,对介电性能的影响和分散仍不是很清楚9]。图3显示了纳米复合材料的有效介电常数的增加的粒子。通常,高介电常数对比陶瓷填料和聚合物矩阵是如此之高,以至于电场集中在聚合物阶段将减少纳米复合材料的击穿强度。此外,高介电常数对比也会导致低电场渗透粒子,从而降低整体复合材料储能密度。

为了使聚合物的非线性可调谐性,我们利用铁电BaTiO₃和antiferroelectric锆酸铅纳米颗粒(nPZ)。电动可调的行为提起复合材料进一步研究在高电场下。的非线性依赖聚合物复合材料的介电常数完全表现出随着电场的增加超过了强制性的锆酸铅(nPZ)如图4。电场和加载分数越高的粒子,介电常数越高。复合材料的现场可调行为通过极地粒子可以适用于各种设备,如天线和相移需要频率的可调性。击穿强度的300 kV / mm极地nanodielectric也实现了复合材料,呈现一个能量密度高达15 J /厘米³。

TEM影像显示了伟大的色散和粒子分布在聚合物通过使用正确处理粒子和混合方法(图5)。电影的断裂截面图像显示仅在聚合物中粘性骨折而不是在界面脱胶表示强烈的聚合物颗粒结合。

3.3。Nanoenabled非线性电阻器(压敏电阻)

高容量、高密度电力系统可能受到高电压瞬变和过载保护装置被广泛使用。与其它保护设备(如电视相比,金属氧化物压敏电阻(MOV)为例,基于陶瓷非线性介电材料在高压低压组合提供了一个良好的可伸缩性,峰值电流承载能力和响应速度快(10]。Nanoenabled介电复合材料也研究了在金属氧化物压敏电阻和高分子压敏电阻为基础的。MOV的大部分陶瓷包含占优势的晶粒连接的障碍。然而,潜在的氧化处理需要高温烧结致密化(1000 - 1300°C)。因此,组成和显微结构的异质性和大型平均晶粒尺寸(通常从几微米到几十微米,如图6(一))以及夸张的晶粒生长在高温烧结引起的高孔隙度限制现有mov的性能。也显示在图6,细微观结构可以获得nanoenabled mov可以在降低烧结温度(1000°C)。更多的压敏电阻连接在单元MOV设备可以提供这样高电压可以应用或更小的设备可以伪造一个等效电压要求。

高击穿电压(1 kV /毫米)和优良的电气性能达到使用的技术先驱,新合成和烧结概要文件。电场的依赖当前的MOV加工不同烧结条件下如图7。不仅陶瓷复合材料的电阻减小非线性的方式与电场的增加,而且过渡非线性领域是推高10倍。这将使mov的小型化和高电压浪涌抑制。此外,当纳米级金属氧化物前驱与聚合物混合形成复合材料,类似- - - - - -可以观察到的特征。现场调优行为的阻力可以满足nanodielectric复合材料。

4所示。结论

这是证明小说电气/介电性能可以通过nanodielectric工程和界面实现工程。(1)Nanodielectric复合材料可以举办各种各样的陶瓷颗粒处理和大粒子分散和成键与宿主聚合物可以实现。加载分数和粒子形态,然而,需要控制不显著降低绝缘强度。(2)电可调复合材料处理和非线性相关的介电常数是证明了混合极性纳米颗粒性能聚酰亚胺聚合物或high-K PVDF聚合物。挑战是使复合以非常低的电场可调。(3)高能量密度(15 J /厘米³)可以实现nanodielectric包含非线性铁电颗粒复合材料,通过适当的粒子形态、色散和particle-polymer粘连。(4)10倍的电压承受能力较低的泄漏电流和高非线性可以实现在nanoenabled突波吸收器。细化和均匀的亚微米结构可以进一步探索基于聚合物的可调电阻。

这些电气设备的性能的进一步优化/基于组件的这些原则承担。

利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。

承认

的一部分工作是由美国国防部下fa9451 - 08 - c - 0166合同。