نانو دی‌الکتریک پلیمری در خازن‌های پیشرفته

بررسی اکتشاف نانو دی‌الکتریک پلیمری و مقیاس‌ سازی فیلم برای خازن‌های پیشرفته

تقاضا برای برق و برق‌ رسانی به قابلیت‌های دی‌الکتریک پیشرفته ازجمله چگالی خازنی بالا، چگالی انرژی بالا، قابلیت کنترل جریان بالا، ولتاژ بالا، دمای بالا، هدایت حرارتی بالا، وزن سبک و اطمینان محیطی نیاز دارد. با ظهور مهندسی نانو دی‌الکتریک، تلاش‌های گسترده‌ای در بسیاری از کشورها صورت گرفت. برخلاف بررسی‌های قبلی که بر روی مطالعه نانوکامپوزیت‌ها در مقیاس آزمایشگاهی متمرکز بودند، این بررسی بر نوآوری‌های اخیر در طراحی نانوالکتریک پلیمری در مقیاس بزرگ و افزایش مقیاس فیلم در خازن‌های پیشرفته متمرکز است. در اینجا، مهندسی نانوفیلر پلیمری نامتعارف و فرآیند آنها در دو دهه اخیر مورد بحث قرار گرفته است. پلیمرها با عملکرد نانو در سطح مولکولی برای ثابت و استحکام دی‌الکتریک بالا به‌طور خلاصه نیز شرح داده شده‌اند. در ادامه، به چالش مرتبط با افزایش مقیاس فیلم و حفظ خواص نانوالکتریک اشاره می‌شود که برای انتقال فناوری دی‌الکتریک و خازن بسیار مهم است. تحقیقات مهمی که با هدف افزایش مقیاس فیلم‌های دی‌الکتریک و خازن‌ها تحت حمایت دولت و صنعت ایالات متحده انجام شده است، نیز بررسی می‌شوند. یک رویکرد استراتژیک جایگزین برای دستیابی به فیلم‌های پلیمری با عملکرد بالا استفاده از پوشش سطحی دو بعدی در فیلم‌های پلیمری بالغ در مقیاس تجاری است. مسیرهای پیش‌ روی فیلم‌های دی‌الکتریک مقیاس‌پذیر با کیفیت بالا در آینده نشان‌ دهنده خواص دی‌الکتریک مطلوب و امکان ساخت خازن هستند.

دانشمندان می‌خواهند دلیل آن را کشف کنند؛ مهندسان می‌خواهند چگونگی آن را توصیف کنند و جهان می‌خواهد از نوآوری‌های آنها استفاده کند. بررسی و مطالعه مواد دو هدف اصلی را دنبال می کند که یکی تعیین مکانیسم عملکرد آنها و دوم کاربردهای عملی. از آنجایی که توماس ادیسون در اواخر قرن نوزدهم با اختراع لامپ برق الکتریسیته DC را به زندگی انسان معرفی کرد، برق الکتریکی تبدیل به منبع انرژی ضروری در جهان تبدیل شد. اشکال مختلفی از تولید، توزیع، انتقال و تبدیل برق اختراع شده است که در درجه اول بر استفاده از نوع مواد متکی هستند: رسانش الکتریکی و مواد عایق با شکاف باند انرژی وسیع. تنظیم شکاف باند انرژی، منابع انرژی و کاربردهای مواد و دستگاه ها در قرن بیستم را ارتقا داد. افزایش نیاز به برق و برق رسانی در قرن 21 به طور بی سابقه ای مواد دی الکتریک را در صحنه جهانی در کانون توجه قرار داد. همانطور که در بخش a از شکل زیر بیان شده است، مواد دی الکتریک عنصر ساختاری مهم خازن‌ها، الکترونیک قدرت با پایه Si و SiC، میکروالکترونیک، مدارهای تجمع تعبیه شده، کابل ها، ژنراتورهای الکتریکی و موتورها محسوب می شوند.

شکل 1:

برای مثال با در نظر گرفتن اینورتر Si-IGBT، دی الکتریک اکسید، عایق الکتریکی، رزین ها و خازن های پلیمری در هر سطحی از یکپارچه سازی استفاده می شوند که به عملکرد دی الکتریک پیشرفته از جمله چگالی خازنی بالا، چگالی انرژی بالا، قابلیت جابجایی جریان الکتریکی بالا، ولتاژ بالا، دمای بالا، هدایت حرارتی بالا، مصرف انرژی کم، وزن سبک و قابلیت اطمینان محیطی نیاز دارد. در نتیجه، با ظهور مهندسی نانوالکتریک، هزاران دانشمند و فناوری را از بسیاری از کشورها به خود جذب کرد. یکی از مهمترین کاربرد آن در ساخت خازن پیشرفته از فیلم ها  و ورق های دی الکتریک است که با الکترودهای متالیزه ساندویچ شده اند. خازن، به عنوان یک بخش غیرفعال، ابتدا اندازه و وزن سیستم الکتریکی فعلی را به دلیل حجم کم چگالی انرژی آن محدود می کند که در کاربردهای توان پالسی جایی که خازن 50 درصد از حجم سیستم را شامل می شود، صدق می کند. همانطور که در بخش های b و c شکل بالا مشخص شده است، بهبود چگالی انرژی و دمای عملکرد خازن ها به منظور بررسی سیستم های ذخیره سازی و تبدیل انرژی فشرده تر ضروری است. ایالات متحده به عنوان پیشرو در نوآوری ها در بیش از 150 سال، در خط مقدم دی الکتریک و پدیده های عایق الکتریکی قرار دارد. دولت ایالات متحده به دلیل نیاز به سلاح ها و پلتفرم‌های الکتریکی بیشتر و عملیات محیطی سخت مانند فشار دما و ولتاژ بالا برنامه های تحقیقاتی مختلف و طرح های تشویقی فناوری را برای پیشبرد نوآوری مواد و دستگاه های دی الکتریک در نظر گرفته است. به عنوان مثال، تلاش های علمی که از دهه 1990 توسط دولت ایالات متحده تامین مالی شد، منجر به بهبود چگالی انرژی خازن ها شد. پایگاه تحقیقاتی نیروی هوایی (AFRL) به دنبال ایجاد شبکه پالس‌ ساز فشرده ‌تر برای HPM پالسی، منبع لیزر، سیستم های احتراق هواپیما، و سیستم های برق پرقدرت است. نیروی دریایی ایالات متحده تلاش کرد تا یک کشتی جنگی تمام الکتریکی را برای پیشبرد نبردهای آینده (با قابلیت نزاع و بقا) خود توسعه دهد.

در طی 15 سال گذشته، دانشمندان و مهندسان توانسته اند مواد دی الکتریک و پردازش فیلم نانوالکتریک را به طور قابل ملاحظه ای توسعه دهند. اکتشاف علمی از سطح اتمی گرفته تا نانومتر و میکرومتری نتایج مطلوبی از کامپوزیت هاینانودی الکتریک و پلیمر دی الکتریک ارائه می دهند. با وجود دسترسی به روش‌های تکنیکال برای تقویت ثابت دی‌الکتریک در دی‌الکتریک‌های پلیمری، اکثر نانوکامپوزیت‌های رایج قیمتی از نظر استحکام دی الکتریک، افت دی الکتریک، استحکام مکانیکی و مقیاس پذیری فیلم مورد توجه قرار گرفته اند. استفاده از فیلرهای آنتی فروالکتریک و توسعه کامپوزیت های غیر متعارف ممکن است منجر به افزایش تراکم انرژی شود؛ با این حال، به بررسی های دقیق تری نیاز است. پایین نگه داشتن بارگذاری فیلرها به نظر می رسد یک استراتژی امیدوارکننده و عملی برای بهبود چگالی انرژی بدون اتلاف قدرت دی الکتریک باشد. افزایش استحکام دی الکتریک در پلیمرهای دی الکتریک با کمک اصلاح شیمی پلیمر در سطح مولکولی در جهت افقی انجام می شود؛ با این حال، این کار به تحقیقات بیشتر و یک فرآیند افزایش مقیاس نیاز خواهد داشت. طراحی منطقی دی الکتریک های پلیمری ممکن است یک دستورالعمل علمی برای سنتز مواد دی الکتریک ارائه دهد؛ با این حال، افزایش مقیاس فیلم ممکن است چالش برانگیز باشد. مدل‌سازی کامپیوتری و تصویربرداری پلاریزاسیون می‌تواند به درک بهتری از برهمکنش های سطحی و ارائه تصویری از تأثیر میدان الکتریکی بر پدیده شکست محلی منجر شود. پوشش سطح یک رویکرد امیدوارکننده به منظور بهبود فیلم های پلیمری ارائه می دهد. برای نیازهای کوتاه مدت خازن، فیلم های پلیمری مقیاس پذیر که در اهداف دیگر نیز کاربرد دارند، ممکن است به یک رویکرد عملی تبدیل شوند. کاهش ضخامت این فیلم‌ها می‌تواند نیازهای فوری در طراحی فشرده و عملکرد رضایت‌بخش را در محیطی با دمای بالا برآورده کند. با نگاهی به آینده، دانشمندان و مهندسان در این زمینه ممکن است روی استراتژی‌های زیر تمرکز کنند:

1- در کوتاه مدت، می توان از فیلم های پلیمری مقیاس پذیر استفاده کرد که از قدرت دی الکتریک بالا، دمای بالا و ثابت دی الکتریک و اتلاف پایین برخوردار هستند.

2- در میان مدت، کامپوزیت‌های نانوالکتریکی که بارگذاری فیلر پایینی دارند، ارزشمند هستند. این رویکرد نه تنها افزایش ثابت دی الکتریک را به نسبت مطلوبی درک می کند، بلکه استحکام دی الکتریک و انعطاف پذیری مکانیکی فیلم ها را نیز حفظ می کند.

3- در درازمدت، تحقیقات پایه و طرح های نوآورانه امیدوارکننده ترین مسیر برای اختراع مواد دی الکتریک برتر در لابراتوارهای تحقیقاتی هستند. در این ایده، از مکانیسم اساسی نانو دی‌الکتریک و شیمی پلیمر همراه با مدل‌سازی رایانه‌ای باید استفاده شود.

4- از نظر حوزه های تحقیقاتی و مواد جایگزین در آینده نزدیک، باید پلیمرهای دمایی باشند که دارای مقیاس پذیری بالا یا ثابت دی الکتریک متوسط ​​با افزودن کسر پایین فیلرها یا تغییرات مولکولی هستند.