聚合物介质是电力系统中普遍存在的一种绝缘材料，它必须具备超轻、机械强度和介质强度高且导热性能优异等特点。然而，电和热传输参数是相互关联的方式，以防止出现导热聚合物电绝缘体。 在此，来自美国纽约州立大学布法罗分校的Shengqiang Ren等研究者描述了，溶液凝胶剪切应变聚乙烯是如何获得具有优异的平面导热系数10.74 W m−1 K−1和平均介电常数4.1的电绝缘材料的。相关论文以题为“Solution-shearing of dielectric polymer with high thermal conductivity and electric insulation”发表在Science Advances上。 论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abi7410
介电聚合物，可以在高击穿电压下工作，在当代高功率电力系统和先进电子产品中常用作电绝缘体材料。然而，电力电子系统的小型化和电阻性功率损失，可产生1000到5000 W/cm2的平均热流，是绝对主导的能量损失。这种大的热流如果不能立即消散，积聚的热量就会导致聚合物介质的温度升高，逐渐导致介电性能的丧失，而聚合物介质需要较高的工作温度和高击穿条件。典型的聚合物绝缘材料(如Kapton聚酰亚胺)的导热系数约为0.17 W m−1 K−1，本质上是绝热的，以传导热量。这些材料的不良热性能限制了散热，从而限制了可实现的功率密度和效率。因此，高分子绝缘材料是高能密度电力电子的主要瓶颈。 根据Wiedemann-Franz定律，电和热传输参数，即σ和κ，在某种程度上是相互关联的，因此，通过高介电常数和介电强度以及高导热性来测量电绝缘性能是很困难的。聚合物绝缘体由一簇分散的分子间力组成，对热传递(声子)有很强的阻力，而电子的贡献微乎其微，这就阻碍了导热电绝缘体的形成。先进的绝缘材料也应减轻大电压应力(dV/dt)。传统的方法是使用较厚的绝缘材料，以适应系统效率所需的较高电压，但由于热和重量问题，这种方法不太可能满足技术指标。因此，高介电常数、低介电损耗和持续高击穿强度的导热聚合物绝缘子，对于承受高电压的高功率密度电子器件是必不可少的。 其中一种非金属热导体是单晶金刚石，其导热系数为2190 W m−1 K−1，这归因于其通过晶格振动的异常有效的热传输。这表明一种聚合物材料几乎“没有”晶体缺陷，其主链在宏观上排列，以实现超高的热导率。这个概念最早是在1977年由Gibson等人在线性非极性聚乙烯上提出的，它具有重复的-CH2单元且几乎没有分支。通过拉伸超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维证实了这一结果，该纤维的导热系数高达104 W m−1K−1，高于铂、铁和镍等金属。然而，新型UHMWPE电绝缘体的形成与聚合物结晶度、晶体取向、链长及其分子堆积等因素有关。要成为一种能导热的电绝缘体材料，聚乙烯的难题在于这样一个对称的分子真实地与低介电常数共价。在这种情况下，开发具有高介电常数和高强度的高导热电绝缘子聚乙烯的新策略至关重要。 在此，研究者提出了溶液-凝胶剪切UHMWPE (SUPE)制备应变柔性薄板和涂层(图1A)。超高分子量晶体链的排列和紧密堆积，促进了大量分离的纳米电容器阵列(高k和高电阻率)的形成，从而显著提高了介电性能和热导率。与标准聚合物介质相比，凝胶剪切诱导的SUPE透明薄膜，具有优异的导热系数10.74 W m−1 K−1(比非应变聚乙烯高20倍)和平均介电常数4.1(比非应变聚乙烯高1.8倍)(图1B)。这种剪切聚合物电绝缘体的介电常数和损耗，几乎与频率和较宽的温度范围无关。凝胶剪切使超高分子量聚合物晶体链排列，形成分离和排列的纳米级纤维阵列。结合晶格应变和氮化硼纳米片的存在，介电聚合物表现出高电流密度和高工作温度，这归因于热传导大大增强。
图1 溶液凝胶剪切诱导具有链取向结构的SUPE薄膜。
图2 剪切SUPE薄膜的介电性能和介电稳定性。
图3 SUPE薄膜的热学和力学性能及其柔性混合电子应用。
图4 SUPE/BN复合薄膜的结构、介电、力学、热学和电学性能。 综上所述，溶液SUPE不仅显著提高了热导率，而且具有很高的介电性能，特别是考虑到聚乙烯的非极性特性。剪切柔性薄板的面内导热系数达到10.74 W m−1 K−1，是未拉伸柔性薄板的20倍以上。此外，在较宽的温度范围和频率范围内，在柔性SUPE薄板中也发现了高而稳定的介电常数。这种改进来自链排列、晶格应变和紧密连接安排的协同协作，使其有可能获得高导热性和高介电性能。 本研究证明了一种极具节能聚合物介电材料具有优异的导热性、机械和介电耐久性，以及在宽温度和频率范围内的可靠性。这些发现克服了高温电绝缘聚合物材料的两个重要障碍，通过溶液凝胶剪切和晶格应变合理设计了分层结构，并制造了轻量化的、可被塑造成复杂配置的柔性聚合物，用于高功率电子和柔性先进电力系统的安全应用。（文：水生）
