摘要
聚酰亚胺(Polyimide,PI)因其良好的介电性能和耐高温性成为很有潜力的聚合物，其复合材料也被广泛应用在高温储能领域。随着电子技术的发展，对于PI基复合材料的高温介电电容器的应用需求越来越大。然而，目前的填料/PI复合材料用于不超过200℃的能量储存，这并不能满足在油气勘探、航空航天等领域需要在200～300℃下工作的温度需求。此外，由于填料的高含量及分散性差的问题限制了填料/PI复合材料储能密度的提高，也不利于储能器件的小型化发展。 本文选用耐高温的PI为聚合物基体，通过添加高性能的填料制备了PI基复合薄膜，在此基础上还构建了多层结构薄膜，并探究其在300℃高温下的储能特性。研究表明，复合薄膜的介电常数显著提升，改善了击穿强度，从而获得了高温高储能的PI基复合薄膜。 (1)针对填料比表面积较小，含量高使得击穿强度低的问题，通过改变填料的形貌来改善。本文利用室温氧化法制备了部分中空结构的TiO2颗粒作为填料，制备了TiO2/PI复合薄膜，并探究其在高温下的储能特性。经测试分析发现，由于TiO2的空心结构，增强了界面效应，提高了介电性能。在300℃时，低含量(1wt％的TiO2粒子)下复合薄膜的击穿强度为290MVM-1 ,与纯PI薄膜类似;储能密度为2.20Jcm-3,比纯PI高150％，对电容器的小型化有巨大的应用潜力。此外，有限元模拟表明，TiO2的部分中空结构可减缓击穿路径的演化进程，改善击穿强度，进而提高储能密度。 (2)针对填料的分散性差，容易团聚的问题，通过引入核壳结构的填料来改善。本文利用表面活性剂PVP包覆Ag颗粒得到核壳结构的Ag@PVP粒子作为填料，制备了Ag@PVP/PI复合薄膜，并探究其在高温下的储能特性。Ag颗粒的库伦阻塞效应使得复合薄膜的介电常数大幅度提升，但由于填料的尺寸相对较大，导致了击穿强度的下降。1wt％含量的复合薄膜在300℃下的击穿强度为296MVM-1，储能可达3.69Jcm-3,是纯PI薄膜的1.8倍。为了抑制击穿强度的下降，提高可靠性，在Ag@PVP/PI复合薄膜的表面沉积高击穿Al2O3层构建了双层结构复合膜。研究结果表明，由于Al2O3层的加入增加了界面，增强了界面极化，提高了击穿强度，即1wt％含量的双层膜的击穿强度在300℃时为300MVM-1。因为添加的Al2O3层的厚度与单层Ag@PVP/PI复合薄膜相差较大（厚度之比为3:50）,所以复合薄膜的击穿强度只是略微提升。但鉴于介电常数的显著提高，最终获得了高温高储能的复合薄膜（300℃时为3.87Jcm-3)。
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