1、第 38 卷 第 2 期 无 机 材 料 学 报 Vol.38 No.2 2023 年 2 月 Journal of Inorganic Materials Feb.,2023 收稿日期:2022-06-11;收到修改稿日期:2022-08-08;网络出版日期:2022-09-15 基金项目:湖南省长沙市自然科学基金(kq2202093);湖南省自然科学基金(2022JJ30722)Natural Science Foundation of Changsha,Hunan Province(kq2202093);Natural Science Foundation of Hunan Pro-vi
2、nce(2022JJ30722)作者简介:陈 雷(1999),男,硕士研究生.E-mail: CHEN Lei(1999),male,Master candidate.E-mail: 通信作者:胡海龙,副教授.E-mail: HU Hailong,associate professor.E-mail: 文章编号:1000-324X(2023)02-0155-08 DOI:10.15541/jim20220326 柔性 PDMS 基介电复合材料的电场及 击穿损伤形貌演变规律研究 陈 雷,胡海龙(中南大学 航空航天技术研究院,长沙 410083)摘 要:与其它储能设备相比,由介电复合材料制得的介质
3、电容器在快速充放电能力与高功率密度方面极具优势,如何提高介电复合材料能量密度与优化其击穿性能已成为当前研究热点之一。为进一步调控并兼顾介电常数与击穿性能,本工作基于 DBM(Dielectric Breakdown Model,介电击穿模型),采用有限元数值模拟,研究了无机填料的分布对柔性聚二甲硅氧烷(PDMS)基介电复合材料体系的电场与发生介电击穿时击穿损伤形貌演变的具体影响。研究结果表明:填料与基体边界处存在较大的介电差异,可以使用较大介电常数的聚合物基体或较小介电常数的无机填料来减小其界面处的高电场区域,继而提高复合材料的耐击穿能力；同时发现当无机填料分散更均匀时,其树状损伤通道更容易产
4、生分支,此种情况将使介电击穿的树状损伤通道的损伤位点增多,延缓其损伤速度,继而提高复合材料的耐击穿性能。该研究结果将为开发高储能密度且具有优异击穿性能的有机-无机复合电介质材料提供坚实的理论依据。关 键 词:介电性能;复合材料;电场分析;DBM 模型;有限元法 中图分类号:TB332 文献标志码:A Evolution of Electric Field and Breakdown Damage Morphology for Flexible PDMS Based Dielectric Composites CHEN Lei,HU Hailong(1.Research Institute of
5、 Aerospace Technology,Central South University,Changsha 410083,China)Abstract:Compared with other electric energy storage devices,dielectric capacitors made of dielectric composites have great advantages in fast charging and discharging capacity with high power density.A dilemma of improving the ene
6、rgy density of dielectric composites and synchronous optimizing their breakdown performance is becoming an intriguing research direction.To further adjust the contradiction between dielectric constant and dielectric breakdown performance,here a finite element numerical simulation based on dielectric
7、 breakdown model(DBM)was proposed to study the effect of the distribution of inorganic fillers on the electric field and breakdown damage morphology in flexible polydimethylsiloxane(PDMS)based dielectric composite system.The results show that a large dielectric difference is observed between filler
8、and matrix,which indicates that polymer matrix with a large dielectric constant or 156 无 机 材 料 学 报 第 38 卷 inorganic filler with a small dielectric constant can realize reducing the size of the high electric field area at the interface and improving the breakdown resistance of the material.This study
9、 further reveals that the more dispersed structure of inorganic fillers,the more likely its dendritic damage channels tend to branch,indicating that this situation is conducive to the increase of damage sites of dielectric breakdown dendritic damage channels,the decrease of damage rate,and the impro
10、vement of breakdown resistance of materials.All above data demonstrate that this study provides certain guidance for the development of organic-inorganic dielectric composites with both high energy storage and excellent breakdown performance.Key words:dielectric property;composite material;electric
11、field analysis;DBM model;finite element analysis 随着现代工业的不断发展与进步,为了满足日益增长的能源系统需求,人们对性能更加优异的储能材料与机理更加新颖的电能存储系统有着巨大的需求1。对于如何提高供电系统功率密度,并同时降低其尺寸和成本的研究引起了工业技术领域和储能领域的高度重视。与其他电能存储设备相比,由介电复合材料所制得的介质电容器在快速充放电能力与高功率密度方面极具优势,受到了越来越多的关注与研究。介质电容器的能量密度与电池和双层超级电容器等电化学设备相比仍有较大差距2，因此，具有高能量密度的聚合物基介电复合材料的研究一直受到广泛关注。线
12、性电介质的能量密度可以表示为:max0edDUE D=(1)进而表示为:20 rbe1/2UE=(2)其中,0是真空介电常数,r是相对介电常数,bE是击穿强度。其能量密度同时依赖于介电常数与击穿强度。与传统的介电材料相比,有机/无机介电复合材料可同时将具有高介电常数的无机填料与高击穿强度的聚合物基体进行复合,引起了人们对其在电能存储应用上的广泛关注3。但介电复合材料中介电常数增大通常以降低击穿强度为代价,此两种特性难以兼顾4。如何在提高介电复合材料能量密度的同时优化其击穿性能也成为重要的研究热点之一。为解决上述问题,研究者们分别基于无机填料的尺寸、形状和排布三方面对介电复合材料的介电常数与击穿
13、强度进行调控。例如王立等5使用两步熔盐法控制无机填料的平均尺寸,通过填充一定尺寸的无机填料提升了介电复合材料的介电性能;刘晓林等6合成了珊瑚状和树枝状的无机填料,通过其垂直于外电场的分支增加击穿强度,平行于外电场的分支增大介电常数;王逸飞等7通过调控无机填料的分布,设计了一种类似三明治的宏观结构,使其夹层结构中相邻层之间形成了更强的界面势垒,从而实现了更优的击穿强度。上述研究都为改善介电复合材料介电常数与击穿强度之间的矛盾提供了新的途径。但是对于介电复合材料发生击穿损伤时,如何通过其内部电场与击穿损伤形貌的演变规律优化介电及耐击穿性能的研究较少。本研究通过有限元数值模拟,基于 DBM 模型,调
14、控无机填料的体积含量,改变其分布结构,以聚二甲硅氧烷(PDMS)聚合物为基体,设计出多种介电复合材料。探究了无机填料的分布对整个介电复合材料体系电场的影响,继而阐明发生介电击穿时树状损伤通道的击穿损伤形貌的演变规律与特性。该研究结果通过提升介电复合材料的耐击穿性能来进一步提升能量密度,为开发高储能密度的有机无机介电复合材料提供理论指导。1 实验方法 1.1 有限元数值模拟 有限元数值模拟法是由 Richard Courant8于1943 年首次提出,其基本原理是:将物理模型划分为由各个基本单元组成的集合,在每个基本单元内采用插值多项式代替微分方程的解,接着利用剖分插值,将微分方程离散为一组多元
15、的线性方程组,最后以对单元节点插值的方式来得到计算区域内微分方程的近似解。对介电复合材料在发生介电击穿时树状损伤通道生长的微观观察表明,在两电极间的距离为12 mm时,树枝伸展的增量通常为 510 m 9,为了尽量符合实际情况,本研究通过仿真软件 COMSOL 设计了尺寸为 2 mm2 mm 的正方形电介质模型。若保持无机填料在聚合物基体中的体积含量不变,正方形代表介电复合材料基体,圆形颗粒代表球形填料,则填料在基体中的分布如图 1 所示。第 2 期 陈 雷,等:柔性 PDMS 基介电复合材料的电场及击穿损伤形貌演变规律研究 157 图 1 填料在基体中的分布情况示意图 Fig.1 Distr
16、ibution of fillers in matrix 根据几何原理计算得到:221r NLN-=+(3)其中,L 为最边缘的球形填料同介电复合材料边缘的距离,r 为球形填料的半径,N 为球形填料的数量。图 2 是类似于平行板电容器的几何模型,以球形填料数量 N=1 时为例,在进行有限元计算时,该介电复合材料填料与基体的介电常数分别为1和2,在上极板施加 10 V 的电势,下极板接地,四周设定0Un=的边界条件,通过式(4)和(5)求解Laplace 方程的方法在有限元网格中确定局部电位。0 r(,)0E x y z=(4)(,)EU x y z=(5)其中,0为真空介电常数（8.8510-12 F/m）,r为相对介电常数,E 为电场强度,U 为向模型中施加的电压。图 2 尺寸为 2 mm2 mm 的正方形介电复合材料模型 Fig.2 Model of square dielectric composite with size of 2 mm2 mm 1.2 DBM 模型 在DBM模型中,电介质由矩形点阵表示,其中的每个点都代表了一个电介质点10。如图 3(a,b),将使用有限元计算