高介電性能絕緣材料新制備方法研究

石錦閃

摘 要：隨著相關設備用電量的不斷增大，儲能元件越來越走向高電壓、大電流、高儲能的發(fā)展方向。其中，電容器是應用比較多的絕緣材料之一，相關設備的改進和升級也對于這一絕緣材料的介電性能提出了更高的要求。文章介紹了高介電性能絕緣材料的新制備方法，為更好地應用相關技術(shù)，實現(xiàn)電容器絕緣材料高介電性能實現(xiàn)提供一些思路。

關鍵詞：高介電性能;絕緣材料;制備方法

0 引言

電容器儲能中，相關材料絕緣性能至關重要，傳統(tǒng)電容器中的絕緣材料多數(shù)是鐵電陶瓷或者是有機薄膜。而實際上，鐵電陶瓷介電常數(shù)一般比較高，但是這一材料的擊穿場強并不大，所以這種絕緣材料更多地被應用在中壓等級電容器中[1]。有機薄膜材料通過薄膜的結(jié)構(gòu)，擊穿場強得以提升，這對于提升電容器的儲能密度具有重要作用，對于縮小設備體積也具有重要作用，這類絕緣材料更多地被應用于高壓等級電容器之中?？梢姡瑑煞N不同的電容器儲能絕緣材料都各自有優(yōu)劣之處，兩者之間實際上可以實現(xiàn)互補。基于電容器儲能密度提升的需要，要進一步提升絕緣材料的性能。如果是使用陶瓷材料，需要對于電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及多層陶瓷結(jié)構(gòu)進行改進;如果使用有機薄膜材料，則需要進一步提升薄膜材料介電性能，通過在材料中增加納米粉末，可以制作出復合材料。

1 對聚合物復合介質(zhì)材料制備的研究

我國針對復合絕緣材料的研究起步比較早，重點是研究如何將高介電常數(shù)的陶瓷絕緣材料做成納米粉末，形成顆粒狀，便于將其摻入有機聚合物中。

學者們對于陶瓷以及有機聚合物復合介質(zhì)材料的研究中心，制備出介電常數(shù)為55的陶瓷復合材料。在陶瓷成分不斷增加的情況下，相關復合材料的介電常數(shù)也在變大，當體積比達到65%的情況下，會發(fā)生較大變化，材料損耗也進一步增加[2]。通過對聚酰亞胺材料制備進行實驗發(fā)現(xiàn)[3]，在陶瓷成分不斷增加的情況下，復合材料電阻呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，介電常數(shù)則不斷上升，介質(zhì)損耗不斷增大。

目前，高介電常數(shù)陶瓷材料以及高擊穿場強的有機聚合材料復合物在優(yōu)化絕緣材料介電性能方面都是比較好的選擇對象。將兩種材料的優(yōu)點結(jié)合起來，可以實現(xiàn)互補，制備出高擊穿場強和高介電常數(shù)的絕緣材料，促進電容器儲能密度獲得顯著提升[4]。在目前電容器絕緣材料不斷創(chuàng)新的情況下，新制備技術(shù)也越來越多，新制備技術(shù)應用對于促進材料性能改善，提升制備質(zhì)量和效率都具有重要作用。其中，低溫等離子體技術(shù)在高介電性能絕緣材料制備中的應用比較普遍，在相關材料制備的眾多工藝環(huán)節(jié)中都有很好的應用。

2 高介電性能絕緣材料新制備技術(shù)

低溫等離子體在常溫情況下，是通過氣體放電產(chǎn)生的。通過對氣體施加電壓，部分電子在電場作用下會出現(xiàn)加速情況，高速電子和氣體原子之間出現(xiàn)碰撞，這時候離子就產(chǎn)生了，碰撞還會讓原子因為震動出現(xiàn)躍進和退激輻射的現(xiàn)象，這時候會有很多光子以及原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)。此外，還有部分分子分裂成為游離狀態(tài)的原子。在低溫狀態(tài)下，等離子體中的高能電子以及離子的活性更強，其化學性能也很活躍，因此將它們應用到絕緣材料的制備中，具有更理想的效果[5]。而在高介電性能絕緣材料的制備中，使用低溫等離子體技術(shù)，需要經(jīng)過表面處理、鍍膜和聚合工序。在低溫狀態(tài)下進行絕緣材料制備，這樣可以避免一些傳統(tǒng)制備工藝的問題，促進制備過程更加簡單，操作更加便利。

2.1 等離子體表面處理

針對等離子體的表面進行處理，主要是將有機高分子絕緣材料置于等離子體環(huán)境中，這樣使得高化學活性的等離子體和材料表面可以產(chǎn)生化學反應。一般情況下，等離子體對于聚合材料表面大約20nm后的部分能夠產(chǎn)生化學作用，且對于聚合物內(nèi)部性能不會產(chǎn)生影響。因此，等離子體表面性質(zhì)改變對于增強聚合物表面濕潤性具有一定效果。此外，這樣的處理還可以促進聚合物表面黏連性和摩擦系數(shù)上升，這對于增強聚合物的擊穿場強具有一定作用。

在類似課題的研究中[6]，實驗得出聚丙烯膜這類電容器中的絕緣材料表面處理中，在等離子體表面處理后，擊穿場強顯著提升，這樣氣電介質(zhì)微觀物理結(jié)構(gòu)也能得到優(yōu)化。這一表面處理技術(shù)工藝簡單，操作便利，對于聚合物表面性質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)改變，還可以實現(xiàn)材料整體介電常數(shù)的增強。不過在具體的表面化學處理中，也會因為化學作用產(chǎn)生部分新自由基，帶來的不利影響是自由基造成電荷進入到聚合物中，而減少電荷注入就可以避免擊穿問題，這樣進行等離子體的表面處理可以在保證材料其他性能不變的情況下，實現(xiàn)絕緣材料擊穿場強的提升。

2.2 等離子體鍍膜

現(xiàn)階段，電子芯片技術(shù)應用越來越廣泛，相關技術(shù)的集成化程度也在不斷提升，集成芯片中的存儲器儲能核心絕緣材料也獲得了新發(fā)展，絕緣材料趨于薄膜化發(fā)展。在實際使用中，芯片工作電壓不高，低壓下，儲能密度可以顯著提升。要滿足絕緣材料的整體介電常數(shù)提升的需要最好選擇陶瓷材料來進行制備。正常來看，存儲器電極能夠承受超過600 ℃的高溫，而在相對溫度較低的環(huán)境下進行納米薄片的制作，需要用到鍍膜技術(shù)。目前針對等離子體的鍍膜技術(shù)包含化學氣相沉積鍍膜和濺射鍍膜兩種方法。針對等離子體進行濺射鍍膜則是借助物理原理，對高速等離子體進行靶材轟擊，形成薄膜形式。但是目前這種鍍膜技術(shù)還沒有成熟的運營體系，商業(yè)化程度不高，且這種鍍膜技術(shù)成本比較高，無法實現(xiàn)工業(yè)化推廣應用。

而另一種鍍膜技術(shù)則是一種化學處理手段。低溫等離子體中的高能電子將氣體反應源的化學鍵打斷，導致反應氣體直接變成化學活性比較高的基團形式，相應的基團之間可以合成新的固態(tài)物質(zhì)，在基片表面積累。這時候，如果對于工藝條件進行調(diào)整和變化，就可能產(chǎn)生不同結(jié)構(gòu)性質(zhì)的薄膜產(chǎn)品。在反應源物質(zhì)非氣態(tài)的情況下，可以通過蒸發(fā)的方式，使其變成氣態(tài)。這種等離子體的化學氣相沉積鍍膜方法在目前的碳納米管以及金剛石薄膜中應用比較常見，在薄膜制備中應用也比較多。

2.3 等離子體聚合

在高介電性能絕緣材料制備中，等離子體聚合主要是通過放電將有機類氣體進行等離子化處理后，增強其活性，在相應活性種和單體間構(gòu)成聚合膜，形成沉積高聚物薄膜。這樣處理可以使得聚合膜在結(jié)構(gòu)上不同于一般聚合膜，增加材料新功能，這也是目前高分子膜研制的重要方法之一，對于制備絕緣薄膜也具有重要應用價值。

3 結(jié)語

目前，在高介電性能絕緣材料制備中，低溫等離子體以其自身獨有的化學活性以及其對于表面改性上的超強效果，在相關材料制備中的應用越來越多。在目前脈沖功率技術(shù)進一步發(fā)展的背景下，高介電性能的絕緣材料需要滿足更高的性能和質(zhì)量要求。而現(xiàn)在低溫等離子體重的相關化學反應過程以及機理還有一些亟待完善的地方，如何確保等離體子絕緣材料在表面性質(zhì)改變的情況下，其處理效果依然存在也是需要思考的問題。此外，還需要明確等離體子化學氣相沉積技術(shù)應用中如何處理好相關物質(zhì)，解決固態(tài)和液態(tài)反應物質(zhì)電離組成問題和狀態(tài)也比較棘手。要想實現(xiàn)低溫等離子技術(shù)在高介電性能絕緣材料制備中更好地應用，還需要進一步完善相關技術(shù)研究。

[參考文獻]

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[3]高亮，郭書軒，盛佳明，等.高介電CaCu_3Ti_4O_（12）填充相對電力絕緣材料介電性能的影響[J].綏化學院學報，2017（3）：149-152.

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[5]佚名.歐文斯科寧低氣泡含量單股直接型無捻粗紗繼續(xù)保持其在中國高電壓系統(tǒng)復合絕緣產(chǎn)品的首選地位—Advantex～ Type 30～粗紗具有耐腐蝕，低介電性能，可應用于電線電纜的復合材料絕緣棒[J].玻璃鋼/復合材料，2008（6）：63.

[6]李斌，但敏，郭愛波，等.高介電性能絕緣材料新制備方法的研究[J].絕緣材料，2006（5）：9-12.

（編輯 傅金睿）