无机颗粒形状对高储能密度有机复合材料介电性能的影响

钟少龙¹，郑明胜¹，邢照亮²，陈新²，黄河³，张翔宇³，许振波³，党智敏¹

1. 清华大学电机工程与应用电子技术系电力系统国家重点实验室2. 全球能源互联网研究院有限公司先进输电技术国家重点实验室3. 国网山西省电力公司经济技术研究院

摘 要：通过在有机基体内添加无机陶瓷颗粒形成二相复合材料是当前研究高储能密度的热点和难点,材料的静电储能特性由其内部电场分布决定。对于纯高聚物材料在均匀外电场环境中其内部电场分布均匀,但当填充无机颗粒形成复合材料时,材料局部电场会发生畸变,进而影响复合材料的介电性能。本文通过有限元方法系统研究了不同形状颗粒,包括球型、纤维状和圆片状颗粒及其空间分布的电响应特性,进而分析其对复合材料储能特性的影响。结果表明,颗粒形状及空间分布的不同均会产生不同的局部电场分布,对于球型颗粒其顶端和低端会出现明显的电场集中现象;对于纤维状颗粒,当其长径比较小时,其端部束缚电荷产生的电场畸变不能被忽略。最后,本文建立了不同形状颗粒填充复合材料三维有限元模型,计算结果表明,在相同填充浓度下,一维纤维状颗粒填充复合材料的介电常数最大,二维圆片状颗粒填充复合材料介电常数最小,而球型颗粒填充复合材料介于二者之间。本文对理解复合材料储能特性的微观机制具有重要的意义。

关键词：复合材料;颗粒形状;局部电场畸变;高储能密度;有效介电常数;