在高度电子电气化的混合动力汽车中，引擎罩下的温度可能超过140摄氏度。那么，如何既要导热又要绝缘呢？北京时间今天（3月2日），国际顶级学术期刊《自然（Nature）》的正刊刚刚发表上海交通大学化学化工学院团队与合作者的最新研究成果。这标志着我国科学家在高耐热的聚合物电工绝缘材料研究领域取得重大突破，论文作者黄兴溢教授、陈杰博士申请的相关发明专利已获得授权。

北京：走进2022世界新能源汽车大会。新华社 发

聚合物是一类重要的电工绝缘材料，然而聚合物材料的导热性普遍性较差，提升聚合物的导热性往往只能以牺牲绝缘性能为代价，因此“绝缘和导热的互为矛盾”是制约聚合物材料在先端电气电子装备发展的瓶颈问题之一。

而作为组成现代电子电路的基本元件，人们使用介电电容器实现电能的储存和转换。对其高温能力的迫切需求，来自航空电子、汽车工业，以及地下油气勘探和高级推进系统等众多高功率、高电流和高温应用领域。

2021上海车展上新能源车型受关注。新华社 发

实际应用中，材料在高电场下的电导电流，随电场强度增加呈指数增大，就会产生大量的焦耳热。而传统聚合物介电材料的导热系数普遍较低，造成介质温度快速升高，进而引起电导指数增加、耐电强度急速降低等连锁反应，从而引发器件、装备失效等严重问题。

尽管可以通过引入纳米添加等方式，增加聚合物电介质的导热系数，但这又往往以牺牲耐电强度为代价，更重要的是纳米添加给薄膜制造工艺带来极大挑战。因此，开发耐高温、本征高导热的聚合物电介质薄膜是最好选择。

黄兴溢

基于这一挑战，交大化院黄兴溢教授团队设计了一种含氟缺陷的双链结构共聚物。该共聚物通过π-π堆叠作用，自组装成高度有序阵列，实现在垂直平面方向表现出高于现有聚合物10倍的导热系数。电极化储能测试表明，其设计的双链聚合物在高温下的放电能量密度，超过当前最先进的商业化产品双向拉伸聚丙烯的5倍。

双链结构聚合物电介质薄膜的分子结构和自组装形貌

同时，采用红外相机直观观察到，在高导热的双链聚合物薄膜中未出现局部热积聚现象，结合模拟电介质薄膜电容器芯子的热场分布，发现薄膜电容芯子的中心温度未明显上升，充-放电循环则更加稳定，实验也证明：连续充-放电循环寿命是聚酰醚亚胺薄膜（PEI）的6倍。

双链结构聚合物电介质的静电储能性

值得一提的是，经此设计的聚合物碳含量相对较低，这赋予了其优异的自愈性。电镜图像清晰显示了电击穿区域四周的铝金属电极被蒸发除去，碳化通道孤立于金属电极，击穿后的金属化聚合物薄膜整体仍保持高绝缘性。自愈后的储能性并没有出现明显劣化，仍能进行10000次的连续充-放电循环。

双链聚合物电介质的循环稳定性和自愈性

解放日报·上观新闻记者了解到，这项研究是电气工程、化学、材料、工程热物理等多学科的深度交叉融合，获得了国家自然科学基金、上海市优秀学术带头人计划、电力设备电气绝缘国家重点实验室开放基金等资助，在电磁能装备、新能源汽车、电力电子等领域极具应用前景。

此次《自然》刊文题为“Ladderphane copolymers for high temperature capacitive energy storage”，黄兴溢教授和王庆教授为通讯作者，陈杰助理研究员、周垚博士和黄兴溢教授为共同第一作者，上海交通大学为论文的第一完成单位。

题图来源：新华社

题图说明：2022年11月5日在第五届进博会汽车展区拍摄的丰田氢燃料电池车。

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