聚丙烯（PP）是薄膜電容器中最常用的介電材料之一。它具有低成本，低介電損耗，高擊穿強度等優勢。考慮到PP的擊穿強度已高達600 MV / m，同時實際應用時材料會在較低的安全電壓下執行（<400 MV / m）( GB/T 13542.3-2006)。如何在保證聚丙烯一定擊穿強度的前提下儘可能高的提高材料的介電常數是亟待解決的瓶頸問題。向PP中新增高介電常數奈米陶瓷填料是一種簡便有效的方法。其核心挑戰在於：1.填料團聚會導致擊穿強度的急劇降低。2.高介電陶瓷和低介電聚合物的固有介電常數差使複合材料內部形成電場集中點，使擊穿強度下降明顯。

圖 1 高速擠出和雜化填料改善聚丙烯的模擬，示意圖和效能

本工作一方面應用具備極高轉速（900rpm）的高速擠出機來實現鈦酸鋇奈米填料高度均勻的分散，另一方面加入低介電常數和高擊穿強度的氮化硼（BN）與鈦酸鋇（BN）構成雜化填料，減少高介電常數BT帶來的電場集中點。

圖2高速擠出機的轉速對PP/BT複合材料介電效能的影響

圖3高速擠出機的轉速對填料分散和材料內部電場的影響

結果表明，隨擠出轉速逐漸增加，BT分散逐漸改善，PP/BT複合材料的介電常數逐漸增加，介電損耗逐漸降低，擊穿強度逐漸提升，該現象在高含量複合材料中尤為明顯。這可能是因為填料分散改善使填料聚集減少和聚集體內部的空洞減少所致。模擬表明，聚集體減少可以明顯減少材料內部的高電場區域，使材料的耐擊穿性改善。同時，分散改善也會破壞連貫的具有一定電導率的BT相，並降低介面電場，減少電子遷移帶來的損耗。而空洞具有低介電常數和低擊穿強度的特點，減少空洞可以改善介電常數和擊穿強度。

透過進一步加入少量BN，與BT構成雜化填料，可以實現BN和BT同時的均勻分散，使材料的擊穿強度提高，介電損耗降低。模擬表明，低介電常數BN的嵌入可以減少BT帶來的電場集中點。此外，BN的高擊穿強度和絕緣性使複合材料的擊穿強度和介電損耗得以改善。

圖4 PP/BT/BN複合材料的介電效能

該方法制備的聚丙烯複合材料介電常數提高至2.92，能量密度提升至2.82 J cm-3，擊穿強度保持在460 MV / m，並維持極低的介電損耗（0.0012）。這種材料可以透過高效的熔體加工製備，在電子，電力領域有一定的應用價值。當然，該方法目前仍不夠成熟，薄膜的雙向拉伸性有待進一步研究。但我們相信，該方法對於理解填料分散和雜化填料對材料介電效能的影響提供了一些新依據。

相關成果以標題為“Improved dielectric and energy storage properties of polypropyleneby adding hybrid fillers and high-speed extrusion”發表在Polymer(Polymer (2021) )。四川大學高分子學院的碩士研究生謝紫龍為本論文第一作者，四川大學高分子學院的傅強教授為通訊作者。

原文連結：

https://doi.org/10.1016/j.polymer.2020.123348