Estratégia melhora resistência à ruptura e polarização em nanocompósitos dielétricos

Capacitores eletrostáticos são um componente essencial em equipamentos de pulso de alta potência, engenharia de transmissão e transformação de energia, veículos de nova energia e comunicação 5G. Sua capacidade de carga-descarga ultrarrápida e densidade de potência ultra-alta é essencial para seu desempenho.

No entanto, sua capacitância e densidade de energia relativamente baixas restringem seu rápido desenvolvimento em direção à tendência leve, flexível e integrada em equipamentos elétricos e eletrônicos. Superar o gargalo de densidade de energia para dielétricos tornou-se, portanto, um ponto de acesso de pesquisa que precisa urgentemente de atenção.

A resistência à ruptura elétrica e a permissividade, ou polarização, são dois parâmetros-chave para alta densidade de energia no dielétrico. Uma das estratégias mais comuns envolve a incorporação de várias nanopartículas cerâmicas, como BaTiO₃SrTiO₃entre outros, em matriz de polímero de alto isolamento para alavancar suas respectivas vantagens. No entanto, atingir um aumento significativo na permissividade geralmente requer uma alta carga de nanopartículas, o que tende a aumentar a condutividade elétrica, comprometendo assim a resistência à ruptura.

Em um estudo publicado na revista Materiais em pó avançadosuma equipe de pesquisadores da Universidade Centro-Sul em Changsha, China, propôs uma nova estratégia fácil para realizar o aprimoramento colaborativo da resistência à ruptura e da polarização elétrica do dielétrico.

“Nossa estratégia nos permite atingir simultaneamente a construção de BaTiO orientado no plano₃ nanofios de enchimento e modulação da cristalização da matriz de fluoreto de polivinilideno (PVDF) em um processo de estiramento uniaxial in situ”, explica o autor sênior e correspondente do estudo, Dou Zhang.

Comparados com nanopartículas de dimensão zero, nanofios unidimensionais com altas proporções de aspecto têm alta polarizabilidade e grande momento dipolar na direção longitudinal, tornando-os mais eficazes na melhoria da permissividade do compósito em níveis de carga mais baixos, mantendo a resistência do campo elétrico.

A pesquisa provou que o estresse de alta deformação induziu a fase β polar ultra-alta e aumentou o módulo de Young, facilitando um aumento simultâneo no deslocamento elétrico e na resistência à ruptura da matriz polimérica. Notavelmente, os resultados da simulação de elementos finitos revelaram que a distribuição orientada de nanofios favorece a redução da probabilidade de contato das pontas dos nanofios, aliviando assim a concentração do campo elétrico e dificultando o caminho de ruptura.

“O nanocompósito recém-projetado à base de PVDF esticado é capaz de operar com uma resistência de tensão de até 843,0 kV/mm e, simultaneamente, fornecer uma densidade de energia de 40,9 J/cm³. Este é de longe o melhor desempenho capacitivo já alcançado em dielétricos de polímero”, acrescenta Zhang.