Учёные нашли способ заставить полимерные конденсаторы нормально работать при температуре 200 °C, где многие коммерческие материалы быстро теряют эффективность. Модифицированный полиэфиримид сохранил более 90% эффективности, отдавал 6,0 Дж энергии на см³ и выдержал свыше 100 тысяч циклов зарядки и разрядки.
Полимерные диэлектрические конденсаторы накапливают энергию в электрическом поле и могут очень быстро её отдавать. Небольшой вес и высокая мощность делают их удобными для силовой электроники, электромобилей и другой техники, но жара создаёт серьёзную проблему. При высокой температуре через диэлектрик начинает проходить больше паразитного тока, часть энергии уходит в тепло, а изоляция постепенно хуже выдерживает сильное электрическое поле.
Авторы нового исследования решили не создавать полимер с нуля, а изменить структуру уже существующих материалов. Учёные сформировали дополнительные химические перемычки между полимерными цепочками. Цепочки получили меньше свободы для движения при нагреве, поэтому материал лучше сохранял электрическую изоляцию.
Для сшивки учёные использовали реакцию внедрения нитрена в связи углерод-водород. С практической точки зрения важнее другое: такие связи встречаются во множестве полимеров, поэтому химикам не приходится искать отдельную реакцию для каждого материала. Авторы проверили метод на нескольких коммерческих диэлектрических полимерах с разным химическим составом, а основные испытания провели на полиэфиримиде.
При 200 °C сшитая плёнка из полиэфиримида отдавала 6,0 Дж/см³ с эффективностью выше 90%. Затем образец подвергли более чем 100 тысячам циклов зарядки и разрядки при напряжённости электрического поля 500 МВ/м. Материал сохранил стабильные характеристики даже при столь жёстком режиме.
Высокая эффективность для горячего конденсатора особенно важна. Чем больше энергии теряется внутри материала, тем сильнее он нагревается сам и тем быстрее ухудшаются его свойства. Дополнительные связи между полимерными цепочками помогают сдерживать этот процесс и позволяют диэлектрику работать одновременно при высокой температуре и сильном электрическом поле.
Учёные также оценили, сколько модифицированный материал сможет прослужить при электрических полях, типичных для промышленного оборудования. Расчёт дал около 60 лет. Это прогноз, полученный по результатам испытаний, а не подтверждённый десятилетиями эксплуатации срок службы.
Главное преимущество метода состоит в возможности улучшать уже выпускаемые полимеры вместо разработки отдельного жаростойкого материала для каждого типа конденсаторов. Теперь исследователям предстоит выяснить, насколько хорошо лабораторная технология переносится на массовое производство и сохранятся ли полученные характеристики у больших партий плёнки.
