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華南理工大學(xué)謝從珍/王瑞團(tuán)隊(duì) ACHM：利用海藻酸鈉氣凝膠骨架制備的低填充非線性電導(dǎo)復(fù)合材料
2024-10-04  來(lái)源：高分子科技

  隨著高壓輸電系統(tǒng)的電壓等級(jí)提升和電力電子器件的集成化發(fā)展，用于絕緣保護(hù)的聚合物材料面臨著愈發(fā)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，其中靜電放電和局部電場(chǎng)畸變是導(dǎo)致絕緣失效的主要因素。為解決這些問(wèn)題，電場(chǎng)相關(guān)的非線性電導(dǎo)材料應(yīng)運(yùn)而生：在低電場(chǎng)下保持高絕緣性，在高電場(chǎng)下快速疏散電荷，防止絕緣失效。然而，這類(lèi)材料通常需要較高的填料填量（約25 vol%），這不僅劣化了低電場(chǎng)下的絕緣性能，還不適用于規(guī)模化制備。此外，高電場(chǎng)下產(chǎn)生的焦耳熱會(huì)形成溫度梯度，進(jìn)一步加劇電場(chǎng)畸變。因此，在降低滲流閾值的同時(shí)，必須考慮材料的熱管理能力，而這在以往的策略中尚未得到有效解決。


  近日，華南理工大學(xué)謝從珍教授團(tuán)隊(duì)在絕緣聚合物基體內(nèi)部設(shè)計(jì)了一種新型三維微結(jié)構(gòu)，將碳化硅材料負(fù)載于海藻酸鈉氣凝膠上，在極低含量下構(gòu)建了填料連通網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)浸漬固化制備的環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料展現(xiàn)出優(yōu)異的非線性電導(dǎo)率和超高熱導(dǎo)率（3.86 W m-1 K-1）。海藻酸鈉氣凝膠具有高比表面積和良好的連通性，在低填充條件下即可促使SiC形成三維互連的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，賦予聚合物復(fù)合材料在高電場(chǎng)下快速消散電荷的能力。此外，具有良好熱導(dǎo)率的SiC網(wǎng)絡(luò)有效分散了聚合物高場(chǎng)下非線性電行為所產(chǎn)生的焦耳熱，防止因熱量積累對(duì)材料電氣性能造成不利影響。這一策略結(jié)合了非線性導(dǎo)電特性、高效熱管理能力和低填料含量的優(yōu)勢(shì)，拓展了電場(chǎng)自適應(yīng)材料在高溫條件下的應(yīng)用前景。


  為了使復(fù)合材料具有優(yōu)異的非線性電導(dǎo)和導(dǎo)熱性能，在單位體積分?jǐn)?shù)填料下應(yīng)構(gòu)建盡可能多的傳導(dǎo)路徑。沿著三維網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建傳導(dǎo)路徑是一種潛在可行的方法，因此負(fù)載骨架應(yīng)具有盡可能高的連通性和適當(dāng)?shù)目紫堵省：Ｔ逅徕c是從海藻中提取的一種天然多糖聚合物，由于其可加工性和環(huán)境可持續(xù)性，被廣泛用于水凝膠和氣凝膠的制造。如圖1所示，負(fù)載碳化硅（SiC）填料的海藻酸鈉（SA）氣凝膠骨架可通過(guò)簡(jiǎn)單的超聲分散和冷凍干燥獲得。


圖 1. (a) 海藻酸鈉氣凝膠的制備方法 (b)海藻酸鈉-碳化硅骨架及其環(huán)氧復(fù)合材料的制備方法


  圖2為負(fù)載SiC體積分?jǐn)?shù)分別為1、7.5和15 vol%的SA-SiC骨架SEM圖像。SA-SiC骨架的形態(tài)與海藻酸鈉氣凝膠一致，這表明負(fù)載SiC并不影響氣凝膠的整體結(jié)構(gòu)。根據(jù)局部放大圖可以分辨出不同負(fù)載體積分?jǐn)?shù)下填料的排列模式。在負(fù)載體積分?jǐn)?shù)為1 vol%時(shí)，SiC均勻分散在氣凝膠骨架上，伴有少量團(tuán)聚。當(dāng)負(fù)載體積分?jǐn)?shù)增加到7.5 vol%時(shí)，緊密排列在氣凝膠骨架表面的SiC顆粒相互接觸，形成長(zhǎng)程連接的鱗片狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)負(fù)載體積分?jǐn)?shù)達(dá)到15 vol%時(shí)，SiC顆粒在骨架表面緊密堆疊成多層結(jié)構(gòu)。根據(jù)上述結(jié)果，將負(fù)載體積分?jǐn)?shù)為7.5定義為準(zhǔn)負(fù)載，而低于或高于該體積分?jǐn)?shù)的情況則分別定義為輕負(fù)載和過(guò)負(fù)載。


圖2. (a) SA-SiC1, (b) SA-SiC7.5, (c) SA-SiC15骨架的截面SEM圖像以及局部放大圖


  通過(guò)電導(dǎo)率測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在輕負(fù)載下復(fù)合材料即表現(xiàn)出典型的非線性電導(dǎo)特性，即電導(dǎo)率隨電場(chǎng)的增加而迅速增長(zhǎng)。這是由于碳化硅表面具有二氧化硅薄層致使表面能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎曲，導(dǎo)致載流子在相鄰碳化硅粒子間的非線性輸運(yùn)行為。相比之下，SiC隨機(jī)分布的 EP/SiC20仍是一種線性絕緣材料，直到填充體積分?jǐn)?shù)達(dá)到25 vol%時(shí)，才會(huì)表現(xiàn)出非線性電導(dǎo)特性。并且EP/SiC25的閾值電場(chǎng)仍顯著高于EP/SA-SiC1，這是由于孤立的SiC顆粒之間仍存在著厚度約為15納米的環(huán)氧樹(shù)脂薄層。


  通過(guò)對(duì)比輕負(fù)載、準(zhǔn)負(fù)載和過(guò)負(fù)載三種模式下的非線性電導(dǎo)特性，發(fā)現(xiàn)閾值場(chǎng)強(qiáng)隨填料含量增長(zhǎng)并非是線性的，原因如下：在輕-準(zhǔn)負(fù)載條件下，由于碳化硅顆粒并未完全緊密接觸，隨著填料含量增加，碳化硅顆粒間距越小。通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)明的有限元模型驗(yàn)證了碳化硅顆粒間距將顯著影響其鄰域的電場(chǎng)畸變程度（如圖3e所示），因此電荷更容易通過(guò)跳躍傳導(dǎo)從聚合物基質(zhì)進(jìn)入填料。然而在準(zhǔn)-過(guò)負(fù)載條件下，碳化硅顆粒已經(jīng)完全接觸形成連通路徑。此時(shí)決定閾值場(chǎng)強(qiáng)的主要因素將變成最優(yōu)路徑上的碳化硅顆粒數(shù)量。根據(jù)上述發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)調(diào)控骨架和填料間的相對(duì)負(fù)載結(jié)構(gòu)調(diào)整非線性電導(dǎo)特性，以適應(yīng)各種應(yīng)用的需求。


圖3. (a-d) EP/SiC和三種負(fù)載模式下EP/SA-SiC的電導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果 (e, f) 碳化硅-環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的電場(chǎng)分布仿真結(jié)果 (g) EP/SA-SiC5, EP/SA-SiC10 和EP/SA-SiC15的ln (J/R·T2) 與E1/2關(guān)系 (h, i) EP/SA-SiC1, EP/SA-SiC7.5 和 EP/SA-SiC15的介電常數(shù)和正交損耗


  為了直觀顯示EP/SA-SiC復(fù)合材料的熱管理能力，使用紅外熱像儀記錄了材料在加熱和冷卻過(guò)程中的溫度變化，如圖4c所示。與純環(huán)氧樹(shù)脂相比，EP/SA-SiC的導(dǎo)熱能力更優(yōu)異。具體來(lái)說(shuō)，EP/SA-SiC1和EP/SA-SiC15在30秒內(nèi)從25 ℃升溫到81.9 ℃和90.3 ℃，顯示了出色的熱傳導(dǎo)效率（作為對(duì)比，純環(huán)氧樹(shù)脂材料在30秒內(nèi)升溫到45.4 ℃）。冷卻實(shí)驗(yàn)更直觀地反映了復(fù)合材料出色的散熱性能。在30秒內(nèi)，純環(huán)氧樹(shù)脂、EP/SA-SiC1和EP/SA-SiC15的中心溫度分別從100 ℃降至86.2 ℃、72.4 ℃和54.3 ℃。EP/SA-SiC復(fù)合材料突出的熱管理能力主要?dú)w因于聚合物基體內(nèi)互聯(lián)的高導(dǎo)熱SiC骨架（83.6 W m-1K-1）。


圖4 (a, b) EP/SA-SiC10和EP/SiC25 的變溫電導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果 (c-e)熱管理能力驗(yàn)證試驗(yàn)


  基于本研究方法制備的非線性電導(dǎo)環(huán)氧復(fù)合材料在極低填充量下即具有優(yōu)異的非線性電導(dǎo)特性和導(dǎo)熱性能，利用氣凝膠骨架構(gòu)建填料網(wǎng)絡(luò)以及基于負(fù)載結(jié)構(gòu)調(diào)控閾值場(chǎng)強(qiáng)等參數(shù)的方法可能為其他復(fù)合材料領(lǐng)域研究提供新思路。


  相關(guān)研究成果以“Field-dependent Nonlinear Electrical Response Characteristics in Polymer Dielectrics with Sodium Alginate Scaffold”為題發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Advanced Composites and Hybrid Materials》上。華南理工大學(xué)謝從珍教授、王瑞副教授和深圳大學(xué)徐華松助理教授為論文的通訊作者，華南理工大學(xué)博士研究生張道銘為論文第一作者。感謝國(guó)家自然科學(xué)基金（No. 51977084，52307025）等項(xiàng)目對(duì)本文的資助。


  文章鏈接：https://doi.org/10.1007/s42114-024-00984-6

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（責(zé)任編輯：xu）
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