含咪唑结构宽带隙含氟共聚聚酰亚胺的制备与高温介电储能性能
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国家自然科学基金资助项目(52303014);中央高校基本科研业务费(104972024KFYjc0035)


Preparation and High-Temperature Dielectric Energy Storage Performance of Imidazole-Containing Wide-Bandgap Fluorinated Copolyimide Dielectrics
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    摘要:

    针对传统聚酰亚胺电介质在高温高场下电导损耗急剧增加、储能密度和效率显著下降的问题,文中用 4,4′-(六氟异丙烯)二酞酸酐(6FDA)和 2,2′-双(三氟甲基)-4,4-二氨基联苯(TFMB)合成 FPI 为基体,引入 2-(4-氨基苯基)-5-氨基苯并咪唑(PABZ)为共聚单体,设计制备了一系列不同 PABZ 含量的含咪唑结构宽带隙含氟共聚聚酰亚胺(FPI-PABZ)电介质,系统研究了 PABZ 含量对其微观结构与高温储能性能的影响。 结果表明,PABZ 的引入一方面在聚酰亚胺基体内形成了空穴陷阱,可有效捕获载流子,从而抑制传导电流,提高储能效率;另一方面,PABZ 中的氢键增强了分子间相互作用力,提高了材料的弹性模量,从而提升了击穿场强,并增加了储能密度。 当 PABZ 添加量为6% 时,FPI-6% PABZ 在 150 ℃的击穿强度最高,达到 563 MV/m;在 150 ℃,550 MV/m 下,其能量密度(Ue)为 3.91 J/cm3,储能效率(η)高达 91.5% ,并表现出优异的高温抗疲劳性能。 研究为高温、高储能、低损耗本征聚酰亚胺电介质的设计制备提供了新的思路和技术支撑。

    Abstract:

    To address the issue that conventional polyimide dielectrics show sharp conduction loss increase and significant energy storage density/efficiency decline under high-temperature and high-electric-field conditions, this work designed and synthesized a series of imidazole-structured, wide-bandgap fluorinated copolyimides ( FPIPABZ) using 4,4′-( hexafluoroisopropylidene) diphthalic anhydride (6FDA) and 2,2′-bis( trifluoromethyl)-4,4′-diaminobiphenyl (TFMB) as matrix monomers with 2-( 4-aminophenyl)-5-aminobenzimidazole ( PABZ) as comonomer. The effects of PABZ content on the microstructure and high-temperature energy storage performance were systematically investigated. The results show that the introduction of PABZ creats hole traps within the FPIPABZ, which effectively captures carriers, thereby suppressing conduction current and improving energy storage efficiency. Additionally, the hydrogen bonds in PABZ strengthen intermolecular interactions and increas the elastic modulus of the FPI-PABZ, thereby enhancing breakdown strength and boosting energy storage density. When the PABZ content is 6% , the FPI-6% PABZ exhibits the highest breakdown strength of 563 MV/m at 150 ℃. Under the conditions of 150 ℃ and 550 MV/m, the energy density (Ue) reaches 3.91 J/cm3, with an energy storage efficiency (η) of 91.5% , demonstrating excellent high-temperature fatigue resistance. This study provides new insights and technical support for the design and fabrication of intrinsic polyimide dielectrics with high-temperature resistance, high energy storage density, and low loss.

    参考文献
    相似文献
    引证文献
引用本文

余思宇, 梁淦博, 周 玲, 李林亭, 熊传溪, 王 珊.含咪唑结构宽带隙含氟共聚聚酰亚胺的制备与高温介电储能性能[J].高分子材料科学与工程,2026,42(3):29-39. Siyu Yu, Ganbo Liang, Ling Zhou, Linting Li, Chuanxi Xiong, Shan Wang. Preparation and High-Temperature Dielectric Energy Storage Performance of Imidazole-Containing Wide-Bandgap Fluorinated Copolyimide Dielectrics[J]. Polymer Materials Science & Engineering,2026,42(3):29-39.

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