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  電能，作為一種清潔再生能源，為取代逐漸匱乏的化石燃料能源，已經越來越被廣泛的使用到交通運輸領域。而聚合物薄膜電容是制造電車和高鐵電力能源器件的重要組成部分。因為雙軸拉伸PP （BOPP）薄膜擁有低介電損耗，高擊穿強度，以及長使用壽命，現在市場上主要使用的是它作為聚合物電容的介電薄膜材料。但是，其高溫性能有待提高，介電常數以及儲能密度比較低，因此如何開發出新型耐高溫，高儲能密度以及同時低損耗的聚合物薄膜仍然需要進一步進行研究。

  美國凱斯西儲大學大分子科學與工程學院的祝磊教授課題組一直致力于運用多層膜共擠出技術來制造出耐高溫、高儲能和低損耗的多層聚合物電容器薄膜。這一技術的一大優點在于可以結合多種聚合物材料的優點，而不僅限于單一材料。同時，薄膜的層數，層厚度以及組分都可以調節，以達到最好的介電和絕緣性能。近期，該團隊基于這一技術擠出了一系列不同厚度和組分的256層高溫聚碳酸酯（HTPC）和聚偏氟乙烯（PVDF）多層薄膜。其中PVDF單層厚度從23nm到195nm 不等。同時，為了改變PVDF的晶體取向以得到更好的介電性能，課題組對薄膜做了重結晶熱處理。

表1. 未經過處理和重結晶處理的 HTPC/PVDF多層膜組分、厚度以及熱性能

  通過廣角和小角X射線散射表征手段，課題組研究得到了如圖1所示的PVDF晶體結構。在未經處理的多層膜中，PVDF初級晶體成豎直取向，這使得在電場作用下，PVDF層中的雜質離子可以自由在晶體間的無定形區移動，而雜質離子的運動會造成較高的介電損耗。經過熱處理的多層膜（B）和（C），PVDF初級晶體或次級晶體重成水平取向，由于晶體可以阻擋雜質離子運動，所以離子運動所造成的損耗降低。如果單層PVDF的厚度在23-39nm之間，由于空間的限制，PVDF重結晶后會形成水平取向的初級晶體。而如果單層PVDF的厚度大于80nm，PVDF重結晶以后還是會形成和重結晶之前一樣的豎直取向的初級晶體。但有趣的是，水平取向的次級晶體會在豎直取向的初級晶體間隔中形成。

圖1. 限制在相鄰HTPC層之間初級和次級PVDF晶體的示意圖，（A）未經處理的多層膜；PVDF層厚度在（B）23-39 nm 和 （C）大于80 nm的經過熔融重結晶的多層膜。

  利用頻率介電松弛譜，課題組發現在重結晶過后，低頻率下的離子運動損耗降低至原來的三分之一。課題組還通過漏電電流測試得到了多層膜的直流電導率。因為重結晶處理過的多層膜有水平取向的晶體，可以有效阻止漏電電流的通過因而降低電導率。

  為了進一步探尋重結晶多層膜的絕緣性能，課題組還測試對比了經過重結晶前后的多層膜使用壽命。該測試通過對膜施加一個恒定的350MV/m的直流電壓，來記錄在11個小時中多層膜被擊穿的次數（圖2）。通過該測試發現重結晶后的多層膜的抗擊穿能力怎強，擊穿次數減少，所以在使用壽命方面的表現得到改善。同樣是因為PVDF晶體的水平取向對電流有阻擋作用，加強了重結晶后多層膜的絕緣性能。

圖2. 在100 C, 350 MV/m直流電壓下的（A,B）未處理和（C,D）重結晶后的多層膜的擊穿次數隨時間分布的直方統計圖。其中，單層PVDF厚度分別是 （A, C） 39 nm 和 （B, D） 125 nm。

  以上論文研究成果發表在國際期刊頂尖雜志《ACS Applied Materials and Interfaces》上，論文第一作者是美國凱斯西儲大學大分子科學與工程學院的博士陳欣月，通訊作者為祝磊教授。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c15457