Наполненные композитные диэлектрики в конденсаторостроении, их особенности и свойства. Композиты на линейных и нелинейных полимерах для пленок металлизированных конденсаторов.
Наполненные композитные диэлектрики (см. предыдущий материал цикла) считают перспективным материалом для конденсаторостроения, а в целом (упрощенно) разработки ведутся по двум основным сегментам – модификации линейных полимеров полярными и неполярными полимерами.
Линейные полимеры делятся на две категории: полярные, к которым относятся полиметилметакрилат (polymethyl methacrylate – PMMA), полиэфиримид (polyetherimide – PEI), политиомочевина (polythiourea – PTU) и полисульфон (polysulfone – PSF), и неполярные, включающие полипропилен (polypropylene – PP) и полистирол (polystyrene – PS), поликарбонат (polycarbonate – PC), полифениленсульфид (polyphenylene sulfide – PPS), полиэтилен (polyethylene naphthalate – PEN) и полиэтилентерефталат (polyethylene terephthalate – PET), нашедшие успешное применение в качестве диэлектриков в силовых (и не только) конденсаторах.
Традиционные методы производства предполагают включение неорганических наполнителей в полимерную матрицу, в результате чего получается двухфазный композитный материал, состоящий из неорганических частиц и полимера. Такой подход направлен на улучшение свойств аккумулирования энергии диэлектриков на основе полимеров, однако часто приводит к низкой прочности на пробой и значительным диэлектрическим потерям. Отсутствие совместимости между неорганическим наполнителем и полимерной матрицей, наряду с характеристиками сцепления органо-неорганической границы, существенно влияет на срок службы композитов. Кроме того, получение более высокой диэлектрической проницаемости требует большего содержания наполнителя, что, в свою очередь, снижает гибкость полимера и ставит под угрозу его технологические характеристики.
Альтернативный подход предполагает введение подходящих органических полимеров и органических полимерных полупроводников в качестве органических наполнителей в линейные полимерные матрицы, что позволяет повысить диэлектрическую проницаемость и точно «настроить» характеристики материала.
Композиты на линейных и нелинейных полимерах для пленок металлизированных конденсаторов
Наиболее популярный сегодня в конденсаторостроении полипропилен – неполярный полимер на углеводородной основе, который служит основой для диэлектриков в виде биаксиально-ориентированной полипропиленовой пленки (biaxially oriented polypropylene film – BOPP). При комнатной температуре полипропилен демонстрирует впечатляющую прочность на разрыв 700 МВ/м, имеет максимальную рабочую температуру 105 °C, диэлектрическую проницаемость примерно 2,25 и потери емкости около 0,01% на частоте 1 кГц. Однако повышение температуры с комнатной до 100 °C приводит к снижению плотности энергии (Ue) с 2,43 Дж/см3 до 2 Дж/см3 и падению КПД (η) с 99,3% до 80,5%.
Для повышения удельной плотности энергии на основе полипропилена в основном используют 2 стратегии – введение полярных групп в молекулярную структуру, или включение наполнителей (или нанонаполнителей) в нанокомпозит на основе полипропилена в процессе наполнения. Так, обогащение BOPP гидроксильными (–OH) и полярными группами (–NH2) повышает плотность энергии до 7 Дж/см3 и более, а добавки малеинового ангидрида к полипропилену (MA-g-PP) для создания гибридных диэлектриков (в сочетании с чистыми полипропиленовыми пленками) снижает диэлектрические потери и повышает диэлектрическую проницаемость – прочность на пробой MA-g-PP композитов 308,2 МВ/м в цепи постоянного тока, диэлектрическая проницаемость 2,56, потери 0,4% и плотность энергии 1076 Дж/см3.
Менее успешными пока остаются наработки в направлении модификации нелинейных полимерных диэлектриков. Так, сегнетоэлектрические полимеры остаются наиболее часто используемыми нелинейными полимерами, но несмотря на их высокую диэлектрическую проницаемость, ограниченная прочность на пробой и эффективность накопления энергии делают эти материалы (условно) непригодными для использования в конденсаторных диэлектриках. Это ограничение в первую очередь связано с взаимодействием больших доменов и тесно связанных диполей в сегнетоэлектрических полимерах. Это взаимодействие изменяет ориентацию диполя и вызывает поляризационный гистерезис, что приводит к значительным диэлектрическим потерям и снижению как плотности энергии разряда, так и эффективности заряда-разряда.
Например, поливинилиденфторид (Polyvinylidene fluoride – PVDF), в том числе сополимер поливинилиденфторид-трифторэтилен-хлортрифторэтилен (vinylidenefluoride-trifluoroethylene-chlorotrifluoroethylene – PVDF-TrFE-CTFE) является сегнетоэлектрическим материалом, известным своей высокой диэлектрической проницаемостью, но его низкая прочность на пробой ограничивает применение материала в конденсаторостроении. Вместе с тем, при смешивании PVDF с бинарным сополимером поливинилиденфторида-трифторэтилена (PVDF-TrFE) диэлектрическая проницаемость композитного материала увеличивается на 80% по сравнению с PVDF и на 30% по сравнению с PVDF-TrFE, расширяется диапазон рабочих температур, обеспечивая улучшенную высокотемпературную стабильность, а плотность энергии достигает 13,63 Дж/см3 при прочности на пробой в 480 МВ/м.
О многослойных полимерных композитах для диэлектриков пленочных конденсаторов в следующем материале цикла.
