电介质电容器是一种电子元件，它主要由两个导体之间的电介质材料隔开而构成。这种电容器的主要目的是存储电荷并在电路中传递电信号。其中，成本低、易加工、耐高电压的柔性聚合物是最有潜力的电容器电介质材料之一，但其低介电常数导致的低储能密度限制了当今电子工业对器件小型化和高性能化的要求。

各种电容器组合

随着电力系统、新能源电动汽车、可穿戴电子等领域的不断发展，聚合物基电介质电容器要想乘上这股风，就必须要做出改变——在混合动力汽车等领域中，电介质电容器需要高温环境下工作；在电力电子系统中，电介质电容器需要有较高的能量密度以保证较小的设备体积。

电动汽车逆变器系统中使用的介电储能电容器占据了逆变器35%以上的体积

针对这些难题，人们提出将无机填料加入到聚合物基体中，用于改善电介质的性能，并在一定程度上提高电容器的性能和稳定性。以下是一些通常的目的和作用：

①增强机械强度：有机聚合物可能在机械强度方面表现相对较弱，通过添加无机填料，可以增加电介质的机械强度，提高电容器的物理强度和耐久性。

②提高热稳定性：无机填料的加入可以改善电介质的热稳定性，使其能够在更高的温度范围内工作而不失效。

③降低渗透率：一些无机填料具有较好的封闭性能，可以降低电介质的渗透率，防止外部湿气或其他有害物质进入电容器，从而提高电容器的稳定性。

④改善介电性能：通过选择合适的无机填料，可以改善电介质的介电性能，包括介电常数和介电损耗，从而提高电容器的性能。

⑤减小体积收缩：在电容器的生产过程中，有机聚合物可能发生体积收缩，而无机填料的加入可以减小这种收缩，提高电容器的制造精度。

⑥控制热膨胀系数：通过添加特定类型的无机填料，可以调整电介质的热膨胀系数，使其更好地匹配其他组件的热膨胀系数，从而减小温度变化对电容器的影响。

介电复合利料组成图

无机填料的选择

为了制备出可以在高温条件下具有较高能量密度的介电复合材料，以保证设备轻量化和小型化。对无机填料的选择也有一定的要求，以下是可供考虑的方向：

1、不同种类的无机填料

无机填料作为增强相可以明显提高介电复合材料的介电性能，不同种类的无机填料对介电复合材料的贡献也有所不同，根据其性质，可以大致分为高介电填料和高绝缘填料。

①高介电填料

大部分耐高温聚合物都普遍具有较低的介电常数，不利于储存较多的电能，而钛酸钡(BaTiO₃)和钛酸锶(SrTiO₃)等高介电填料可以弥补这一短板，将其加入到聚合物基体后，会显著提高复合材料的介电常数，使储能密度得到提高。Miao等人将SrTiO₃作为填料加入到PEI基体中，制备了一系列复合材料，含有10 vol%SrTiO₃纳米颗粒的复合材料的介电常数在1 kHz下达到了8.96，相比于纯PEI提高了近246%，复合材料的储能密度得到明显改善，但是这种方法一般来说都是以牺牲复合材料的击穿场强为代价的，无法满足高电场环境下的应用条件。

②高绝缘填料

近几年来，研究人员越来越关注于通过提高介电复合材料的击穿场强来提高储能密度，具有宽带隙的高绝缘填料可以契合这一途径，将其加入到聚合物基体后，可以显著提高介电复合材料的击穿场强，降低漏电流密度，改善高温高电场下的储能性能。目前已经开发出了氮化硼(BN)、二氧化铪(HfO₂)和二氧化硅(SiO2)等多种宽带隙填料。Ren等人使用HfiO₂作为填料，PEI作为聚合物基体，制备了一系列复合材料。实验结果显示，添加量为3vol%的复合材料击穿场强可以达到500 kV/mm，放电能量密度达到2.82 J/cm³，并且，其漏电流密度相比于纯PEI降低了一个数量级。

2、不同形貌的无机填料

无机填料的形貌对介电复合材料的储能性能也会产生重要的影响，如图，无机填料按形貌可以划分为球状填料、纤维状填料和片状填料。

①球状填料

球状填料是最常见的一种填料。如BaTiO₃类的高介电填料通常都具有球状的形貌。一般来说，使用此类填料时需要的填料含量较多，以提高复合材料的介电常数，但是较高的填料含量在复合材料内部产生较多的缺陷，导致复合材料的击穿场强恶化。因此为了避免这一现象，通常需要对填料进行表面改性。zeng等人使用KH550表面处理后的球状BaTiO₃纳米颗粒作为填料，制备了一系列复合材料。与未使用KH550处理的复合材料相比，含有处理后的球状BaTiO₃纳米颗粒的复合材料介电稳定性更好，这可能是由于KH550处理后，改善了复合材料的界面相容性。

②纤维状填料

纤维状填料或线状填料的特点是具有较高的长径比。有研究发现，高长径比的填料提高介电常数的效果更为显著。Chen等人制备了BaTiO₃纳米纤维，在其表面包裹了一层TiO₂，并制备了一系列复合材料，研究其性能。结果表明，带有TiO₂壳的BaTiO₃纳米纤维同时提高了材料的介电常数和击穿场强。相比于球状填料，纤维状填料的优势在于可以产生更多的相界面，增强材料介电常数的作用更明显，但缺点在于粗细均匀的纳米纤维制备比较困难，不易控制长径比，并且更易团聚，不能均匀分散。

③片状填料

片状填料指具有一定长径比的纳米片。研究发现，将具有片状形貌的宽带隙填料加入到聚合物基体中，可以在复合材料内部产生深陷阱，并阻挡电树枝的发展，显著提高材料的击穿场强。Ye等人制备了具有片状形貌的镁铝水滑石纳米片(MgAl LDH)，并负载Ni颗粒，将其作为填料制备了一系列复合材料，并探究其击穿性能。如图，MgAl LDH的加入可以阻碍复合材料内部电树枝的发展，提高击穿场强，结果表明，复合材料的击穿场强最高达到640 kV/mm。

MgAl LDH的功能示意图

对比不同性质和形貌的填料可以得出，将宽带隙及具有片状形貌的无机填料加入到聚合物基体中可以显著提高介电复合材料的击穿场强，符合目前介电复合材料的应用需求。

结语

总体而言，为满足现代电力装置与电子设备对高性能电容器的需求，开发高储能密度的柔性介电复合材料显得至关重要。

无机填料的选择和添加有助于优化电介质的性能，使聚合物基电容器更适用于各种应用领域。但选择的时候，也要同时兼顾保持有机聚合物的优点，在此基础上去弥补其一些缺陷，以提高电容器的整体性能。

资料来源：

杨学琳. 片状纳米氧化铝粉体制备及其在介电复合材料中应用研究[D]. 北京:北京化工大学,2023.

谢兵,蔡金峡,王铜铜,等. 高储能密度聚合物基多层复合电介质的研究进展[J]. 无机材料学报,2023,38(2):137-147. DOI:10.15541/jim20220343.

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