Многослойные композиты для полимерных диэлектриков пленочных конденсаторов. «Умные» (Smart) полимерные диэлектрики с «памятью формы» (shape memory), их особенности и применение.
В многослойных полимерных композитах слоистая структура снижает потери диэлектрической энергии за счет послойного укладки и взаимодействия эффекта слоистости. Основная идея включения сферических (0D), волокнистых (1D) и пластинчатых (2D) наполнителей в полимерную матрицу для создания материалов с высоким коэффициентом k (диэлектрическая постоянная) заключается в увеличении межфазной площади. Однако увеличение диэлектрической проницаемости обычно приводит к снижению прочности на пробой, тем самым ставя под угрозу характеристики материала, присущие диэлектрикам на основе полимеров.
Чтобы решить эту проблему, нелинейные полимеры были смешаны и заполнены для получения полностью органических композитов, и недавние исследования представили решение в виде многослойных структур, которые могут эффективно решать проблему баланса прочности на пробой и диэлектрических свойств в композитных материалах. Эти слоистые структуры увеличивают потери диэлектрической энергии в электрическом поле за счет преимуществ послойной сборки и кооперативных эффектов наслоения. Кроме того, они постепенно снижают скорость миграции ионов примесей через различные слои, что позволяет создавать более широкие комбинации различных полимеров, в том числе на базе линейных и нелинейных в рамках одного композитного материала с новыми характеристиками. Так, смешивание поливинилиденфторида (PVDF) с поливинилиденфторид-трифторэтиленом (polyvinylidenefluoride-trifluoroethylene) продемонстрировало улучшение диэлектрических свойств и устойчивости к высоким температурам, а многослойные нанокомпозиты P(VDF-HFP)/P(VDF-TrFE-CFE) показали значительное снижение тока утечки и потерь проводимости, что привело к высокой плотности энергии (Ue) 20 Дж/см3 при прочности на пробой 600 МВ/м.
«Умные» (Smart) полимерные диэлектрики с «памятью формы» (shape memory)
Полимеры, реагирующие на стимулы и известные как «умные» (smart polymers), сегодня стали буквально приоритетом в исследованиях из-за их адаптивности в ответ на изменения («сигналы») окружающей среды. Такие полимеры могут изменять свои свойства, форму, размер в ответ на различные внешние раздражители, включая температуру, pH, свет и электрические поля.
Одной из наиболее популярных подкатегорий полимеров, реагирующих на стимулы, стали полимеры с памятью формы (shape memory alloys – SMP), которые (упрощенно) обладают способностью «запоминать» конкретную форму и восстанавливать после деформаций под внешним воздействием. SMP используются в медицине для создания минимально инвазивных хирургических инструментов, которые меняют форму при нагревании, pH-чувствительных гидрогелей, диагностических тестирующих материалов, реагирующих на определенные биомолекулы и т.д., а также в аэрокосмической промышленности и машиностроении.
В области архитектуры интеграция SMA вместе с полимерами привела к созданию интеллектуальных материалов, которые могут самостоятельно контролировать и устранять структурные повреждения, в электронике smart полимеры используют в гибких дисплеях, «эластичной» робототехнике, в конденсаторостроении SMA, углеродные нанотрубки и графен позволяют получать композиты для диэлектриков с быстрым и полным самовосстановлением, высокой прочностью на пробой, плотностью энергии и стойкостью к высоким температурам.
