聚合物介質薄膜在現代電子系統中占據重要地位，尤其在高能量密度電容器和智能設備的靜電吸附離合器中的應用廣泛。然而，傳統聚丙烯材料存在介電常數低（εr≈2.2）、高溫下漏電流嚴重等問題，限制了其能量密度和可靠性進一步提升。盡管納米摻雜、極性單體接枝等方法被廣泛嘗試，卻仍面臨分散性差、大規模生產應用等技術瓶頸。
近日，寧夏大學化學化工學院冒杰副教授團隊通過分子工程設計，成功將鄰苯二甲酸二烯丙酯（DAP）接枝到聚丙烯（PP）上，開發出兼具高能量密度與優異高溫穩定性的新型介質材料PP-g-DAP。DAP單體含兩個烯丙基（-CH2-CH=CH2），可與PP鏈自由基反應形成交聯網絡結構。該材料不僅在薄膜電容器領域表現卓越，還可應用于智能靜電吸附設備，實現“一材雙用”。
2025年10月1日，該工作以“Molecular Engineering of DAP Grafted Polypropylene for Ultrahigh-Energy-Density Film Capacitors and Smart Electrostatic Adhesion”為題發表于期刊《Advanced Functional Materials》上。文章第一作者為寧夏大學碩士研究生海強強，通訊作者為寧夏大學冒杰副教授。
圖1. PP-g-DAP薄膜的制備及應用展示
研究團隊采用水相懸浮接枝技術將DAP單體接枝到聚丙烯分子鏈上。DAP分子中的共軛苯環結構和極性酯基團能夠有效調控PP的電子能帶結構，形成局部深陷阱，抑制空間電荷遷移。雙烯丙基結構可在PP鏈間形成微交聯網絡，進一步阻礙載流子輸運。
圖2. 儲能性能
在儲能性能方面，PP-g-DAP材料表現出色。最優改性樣品PP-g-DAP2在25°C下擊穿強度達到853.09 MV/m，能量密度高達12.90 J/cm3，比原始PP提升了62.47%，同時效率保持在92.96%。更令人印象深刻的是其高溫性能。在105°C條件下，PP-g-DAP2仍能保持7.23 J/cm3的能量密度，比原始PP提升了86.8%，展現出優異的熱穩定性和可靠性。材料還表現出優異的循環穩定性。經過10000次充放電循環后，PP-g-DAP2薄膜的能量存儲性能偏差小于1%，在25°C和105°C條件下均保持穩定，滿足實際應用需求。
圖3. 電流密度與陷阱特性
通過理論計算和實驗驗證深入揭示了性能提升的機理。DAP引入的深能級陷阱密度提升高于一個數量級，有效捕獲載流子，抑制漏電流。密度泛函理論計算顯示，PP-g-DAP具有更強的電子親和能，形成更深的陷阱能級。
圖4. EA離合器制造工藝與應用展示
在實際應用方面，該材料展現出雙重潛力；PP-g-DAP2薄膜制備的靜電吸附離合器實現了7.61 N/cm2的剪切應力，比原始PP提升58.3%，能夠成功提起2公斤重物及驅動機械手完成抓物體操作。
這項研究不僅開發了一種高性能介質材料，更重要的是建立了一種將高能量密度電容器與智能機電系統融合的材料設計新范式。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202520883
- 暫無相關新聞
