高介电性能绝缘材料新制备方法研究

石锦闪

摘 要：随着相关设备用电量的不断增大，储能元件越来越走向高电压、大电流、高储能的发展方向。其中，电容器是应用比较多的绝缘材料之一，相关设备的改进和升级也对于这一绝缘材料的介电性能提出了更高的要求。文章介绍了高介电性能绝缘材料的新制备方法，为更好地应用相关技术，实现电容器绝缘材料高介电性能实现提供一些思路。

关键词：高介电性能;绝缘材料;制备方法

0 引言

电容器储能中，相关材料绝缘性能至关重要，传统电容器中的绝缘材料多数是铁电陶瓷或者是有机薄膜。而实际上，铁电陶瓷介电常数一般比较高，但是这一材料的击穿场强并不大，所以这种绝缘材料更多地被应用在中压等级电容器中[1]。有机薄膜材料通过薄膜的结构，击穿场强得以提升，这对于提升电容器的储能密度具有重要作用，对于缩小设备体积也具有重要作用，这类绝缘材料更多地被应用于高压等级电容器之中。可见，两种不同的电容器储能绝缘材料都各自有优劣之处，两者之间实际上可以实现互补。基于电容器储能密度提升的需要，要进一步提升绝缘材料的性能。如果是使用陶瓷材料，需要对于电容器内部结构以及多层陶瓷结构进行改进;如果使用有机薄膜材料，则需要进一步提升薄膜材料介电性能，通过在材料中增加纳米粉末，可以制作出复合材料。

1 对聚合物复合介质材料制备的研究

我国针对复合绝缘材料的研究起步比较早，重点是研究如何将高介电常数的陶瓷绝缘材料做成纳米粉末，形成颗粒状，便于将其掺入有机聚合物中。

学者们对于陶瓷以及有机聚合物复合介质材料的研究中心，制备出介电常数为55的陶瓷复合材料。在陶瓷成分不断增加的情况下，相关复合材料的介电常数也在变大，当体积比达到65%的情况下，会发生较大变化，材料损耗也进一步增加[2]。通过对聚酰亚胺材料制备进行实验发现[3]，在陶瓷成分不断增加的情况下，复合材料电阻呈现不断下降的趋势，介电常数则不断上升，介质损耗不断增大。

目前，高介电常数陶瓷材料以及高击穿场强的有机聚合材料复合物在优化绝缘材料介电性能方面都是比较好的选择对象。将兩种材料的优点结合起来，可以实现互补，制备出高击穿场强和高介电常数的绝缘材料，促进电容器储能密度获得显著提升[4]。在目前电容器绝缘材料不断创新的情况下，新制备技术也越来越多，新制备技术应用对于促进材料性能改善，提升制备质量和效率都具有重要作用。其中，低温等离子体技术在高介电性能绝缘材料制备中的应用比较普遍，在相关材料制备的众多工艺环节中都有很好的应用。

2 高介电性能绝缘材料新制备技术

低温等离子体在常温情况下，是通过气体放电产生的。通过对气体施加电压，部分电子在电场作用下会出现加速情况，高速电子和气体原子之间出现碰撞，这时候离子就产生了，碰撞还会让原子因为震动出现跃进和退激辐射的现象，这时候会有很多光子以及原子处于不稳定状态。此外，还有部分分子分裂成为游离状态的原子。在低温状态下，等离子体中的高能电子以及离子的活性更强，其化学性能也很活跃，因此将它们应用到绝缘材料的制备中，具有更理想的效果[5]。而在高介电性能绝缘材料的制备中，使用低温等离子体技术，需要经过表面处理、镀膜和聚合工序。在低温状态下进行绝缘材料制备，这样可以避免一些传统制备工艺的问题，促进制备过程更加简单，操作更加便利。

2.1 等离子体表面处理

针对等离子体的表面进行处理，主要是将有机高分子绝缘材料置于等离子体环境中，这样使得高化学活性的等离子体和材料表面可以产生化学反应。一般情况下，等离子体对于聚合材料表面大约20nm后的部分能够产生化学作用，且对于聚合物内部性能不会产生影响。因此，等离子体表面性质改变对于增强聚合物表面湿润性具有一定效果。此外，这样的处理还可以促进聚合物表面黏连性和摩擦系数上升，这对于增强聚合物的击穿场强具有一定作用。

在类似课题的研究中[6]，实验得出聚丙烯膜这类电容器中的绝缘材料表面处理中，在等离子体表面处理后，击穿场强显著提升，这样气电介质微观物理结构也能得到优化。这一表面处理技术工艺简单，操作便利，对于聚合物表面性质能够实现改变，还可以实现材料整体介电常数的增强。不过在具体的表面化学处理中，也会因为化学作用产生部分新自由基，带来的不利影响是自由基造成电荷进入到聚合物中，而减少电荷注入就可以避免击穿问题，这样进行等离子体的表面处理可以在保证材料其他性能不变的情况下，实现绝缘材料击穿场强的提升。

2.2 等离子体镀膜

现阶段，电子芯片技术应用越来越广泛，相关技术的集成化程度也在不断提升，集成芯片中的存储器储能核心绝缘材料也获得了新发展，绝缘材料趋于薄膜化发展。在实际使用中，芯片工作电压不高，低压下，储能密度可以显著提升。要满足绝缘材料的整体介电常数提升的需要最好选择陶瓷材料来进行制备。正常来看，存储器电极能够承受超过600 ℃的高温，而在相对温度较低的环境下进行纳米薄片的制作，需要用到镀膜技术。目前针对等离子体的镀膜技术包含化学气相沉积镀膜和溅射镀膜两种方法。针对等离子体进行溅射镀膜则是借助物理原理，对高速等离子体进行靶材轰击，形成薄膜形式。但是目前这种镀膜技术还没有成熟的运营体系，商业化程度不高，且这种镀膜技术成本比较高，无法实现工业化推广应用。

而另一种镀膜技术则是一种化学处理手段。低温等离子体中的高能电子将气体反应源的化学键打断，导致反应气体直接变成化学活性比较高的基团形式，相应的基团之间可以合成新的固态物质，在基片表面积累。这时候，如果对于工艺条件进行调整和变化，就可能产生不同结构性质的薄膜产品。在反应源物质非气态的情况下，可以通过蒸发的方式，使其变成气态。这种等离子体的化学气相沉积镀膜方法在目前的碳纳米管以及金刚石薄膜中应用比较常见，在薄膜制备中应用也比较多。

2.3 等离子体聚合

在高介电性能绝缘材料制备中，等离子体聚合主要是通过放电将有机类气体进行等离子化处理后，增强其活性，在相应活性种和单体间构成聚合膜，形成沉积高聚物薄膜。这样处理可以使得聚合膜在结构上不同于一般聚合膜，增加材料新功能，这也是目前高分子膜研制的重要方法之一，对于制备绝缘薄膜也具有重要应用价值。

3 结语

目前，在高介电性能绝缘材料制备中，低温等离子体以其自身独有的化学活性以及其对于表面改性上的超强效果，在相关材料制备中的应用越来越多。在目前脉冲功率技术进一步发展的背景下，高介电性能的绝缘材料需要满足更高的性能和质量要求。而现在低温等离子体重的相关化学反应过程以及机理还有一些亟待完善的地方，如何确保等离体子绝缘材料在表面性质改变的情况下，其处理效果依然存在也是需要思考的问题。此外，还需要明确等离体子化学气相沉积技术应用中如何处理好相关物质，解决固态和液态反应物质电离组成问题和状态也比较棘手。要想实现低温等离子技术在高介电性能绝缘材料制备中更好地应用，还需要进一步完善相关技术研究。

[参考文献]

[1]吕鸿，马佳炜，杨贤，等.热老化对220 kV硅橡胶电缆接头绝缘材料介电性能的影响[J].绝缘材料，2019（2）：47-51.

[2]尚南强，陈庆国，秦君.纳米TiO2/液体硅橡胶直流电缆附件绝缘复合材料的介电性能[J].复合材料学报，2019（1）：104-113.

[3]高亮，郭书轩，盛佳明，等.高介电CaCu_3Ti_4O_（12）填充相对电力绝缘材料介电性能的影响[J].绥化学院学报，2017（3）：149-152.

[4]翁凌，闫利文，景伟，等.碳化钛/聚酰亚胺高介电复合薄膜的制备及性能研究[J].化学与黏合，2012（3）：11-14.

[5]佚名.欧文斯科宁低气泡含量单股直接型无捻粗纱继续保持其在中国高电压系统复合绝缘产品的首选地位—Advantex～ Type 30～粗纱具有耐腐蚀，低介电性能，可应用于电线电缆的复合材料绝缘棒[J].玻璃钢/复合材料，2008（6）：63.

[6]李斌，但敏，郭爱波，等.高介电性能绝缘材料新制备方法的研究[J].绝缘材料，2006（5）：9-12.

（编辑 傅金睿）