纤维素乙酸酯/聚甲基丙烯酸甲酯三明治结构介电薄膜的高温储能性能研究

为解决聚合物介电薄膜在高温下导电损耗加剧、储能性能下降的问题，研究人员通过溶液浇铸法制备了以纤维素乙酸酯(CA)为极化中间层、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为绝缘外层的全有机三明治结构薄膜。该结构通过强氢键相互作用抑制电荷注入，使复合薄膜在752.66 MV/m下获得6.64 J/cm3的放电能量密度(Ud)和83.45%的充放电效率(η)，在150°C高温下仍保持4.72 J/cm3的Ud，显著优于商业薄膜。该研究为生物基材料在高温储能领域的应用提供了新思路。

　　

随着电子设备向微型化、集成化发展，高温环境下的高效储能成为制约技术突破的关键瓶颈。传统石油基聚合物如双向拉伸聚丙烯(BOPP)在105°C以上就会因导电性剧增而失效，而混合动力汽车和油气勘探等领域却需要耐受140-200°C的电容材料。更棘手的是，这些不可降解材料还会引发环境问题。面对双重挑战，生物基材料纤维素乙酸酯(CA)因其可降解性和成膜性崭露头角，但其介电常数(ε)和击穿强度(E_b)的先天不足限制了应用。西南交通大学的研究团队独辟蹊径，将CA与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)结合，设计出能同时解决高温性能与环境问题的三明治结构介电薄膜，相关成果发表在《Carbohydrate Polymers》上。

研究团队采用溶液浇铸法构建PMMA-CA-PMMA三层结构，通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)和密度泛函理论(DFT)验证界面相互作用，结合有限元模拟分析电场分布。通过热刺激去极化电流(TSDC)测试和高温介电性能测试评估材料性能。

微观结构表征
FTIR光谱在1717 cm^-1处发现C=O键位移，证实PMMA与CA间形成强氢键。DFT计算显示PMMA外层能带隙较宽(5.13 eV vs CA的4.56 eV)，可有效阻挡电极电荷注入。

介电性能优化
三明治结构使界面极化增强，介电常数提升至8.2(50 Hz)，比纯CA提高37%。梯度导电层设计将电场畸变率从21.3%降至9.8%，击穿场强达752.66 MV/m。

高温储能表现
室温下M-CA4-M薄膜的U_d达6.64 J/cm³(纯CA的223%)，η保持83.45%。150°C时仍能输出4.72 J/cm³的U_d和76.65%的η，644.92 MV/m场强下性能远超商用BOPP。

这项研究开创性地通过生物基材料界面工程解决了高温储能难题。强氢键网络不仅赋予材料致密结构，还抑制了聚合物链段热运动，使泄漏电流在150°C仍低于10^-8 A。梯度导电层与宽禁带外层的协同作用，首次在CA基材料中实现ε与E_b的同步提升。该工作为发展绿色高性能储能材料提供了普适性策略，推动电子器件向环境友好方向迈进。