2、PI复合电介质材料绝缘击穿电压强度特性

2.1PI/无机复合电介质材料

向聚酰亚胺基体中掺杂无机纳米颗粒，通过改变纳米粒子的结构、含量等进而优化聚合物的导电、导热性，可获得介电强度更为优异的复合材料。现阶段常用的纳米粒子分散技术有共混法(溶液共混法、熔融共混法与机械共混法等)、溶胶-凝胶法、原位聚合法等均能获得较好的分散效果，使材料的绝缘特性得到显著提升。

国内外学者发现，一维填料具有较高的比表面积，界面效应更显著，且由于其具有更大的纵横比，也可起到一定的阻挡效应，对提升聚合物的绝缘强度能起到积极作用。WAN等通过溶液共混法将钛酸钡纳米纤维引入到聚酰亚胺基体中，并系统研究了复合材料的表面形貌与介电强度间的联系，从双电层模型分析得出，由于纤维填料与PI界面之间费米能级的差异，大量电荷黏附于填料表面，如图5所示，在电荷间的静电作用下，载流子的运动轨迹发生变化，迁移路径变长，使得复合薄膜在纳米纤维含量较低的情况下仍能保持较好的绝缘击穿电压。此外，对纳米纤维进行表面改性，增加其与PI基体间的相容性，也是提高PI绝缘击穿电压的重要手段。由此，Wang等采用静电纺丝法获得了一维核壳结构钛酸钡-二氧化锆(BT@ZrO2)纳米纤维，并制备了BT@ZrO2/PI复合材料，其绝缘击穿电压较纯PI提升了19%，通过有限元仿真得出，表面改性后的BT纳米纤维表面处的电场畸变显著降低，且由于其大纵横比的形状可改变载流子迁移路径，使得复合薄膜绝缘击穿电压进一步提升。

Zhao等人通过水热法合成了超长碳纳米管(TNs)，并将其引入聚酰亚胺中获得了TNs/PI复合薄膜，发现与普通一维填料相比，超长TNs具有更大的纵横比，可以延长载流子的迁移路径，并且TNs与PI基体形成强大的界面耦合作用，在极低含量下(＜0.25wt%)，TNs能限制聚合物在应力作用下的运动和变形，实现了复合材料的机械强度、介电强度的协同提升。

随着二维纳米填料制备技术的发展和性能的提高，其更大的表面所形成的阻挡效应可有效延长电树的生长路径，从而增加绝缘的击穿时间与击穿场强。因此，二维填料也逐渐成为聚酰亚胺复合材料中掺杂剂的新选择。

朱聪聪等人利用原位聚合法，制备不同组分的二氧化钛纳米片(TNSs)/PI复合薄膜，详细研究了TNSs对聚合物介电强度的影响，发现TNSs表面的羟基与PI分子链中氧原子形成的氢键极大的增强了两者的相容性，且由于TNSs的阻挡作用，复合薄膜的击穿场强较纯PI提升了9.4%。此外，六方氮化硼(h-BN)作为一种典型的石墨结构的二维陶瓷材料，其二维共轭层具有优异的本征热导系数与绝缘强度，也成为了研究者们进行纳米改性的热门选择对象。Zhao等人发现将氮化硼引入氮化铝(AlN)/PI的复合体系中，可以提升复合薄膜在电场中的稳定性[49]，原因是BN纳米片可有效防止高场下C-N-C和C-O-C键的断裂，并能通过自氧化反应加速纳米粒子的暴露，起到对外电子的散射作用，从而增加复合材薄膜的耐电晕特性，且由于BN纳米片可以延长电树枝的破坏路径，实现了耐电晕性能与介电强度的双向提高

传统的无机纳米颗粒引入到聚合物基体中或许可以提升复合材料的绝缘强度，但单纯的物理混合往往导致填料与基体的结合性较差，通常会伴随着机械性能的下降。因此，为了获得优异的电击穿性能的同时，保留复合材料的机械强度。Li等人将有机金属骨架(ZIF-8)作为填料与聚酰亚胺复合，利用ZIF-8上的不饱和活性基团与PI相结合形成的三维多位点键合网络，可分散和均化施加到复合薄膜的应力作用，大幅度提升了其拉伸强度，同时保持了优异的柔韧性，从分子动力学计算得出，ZIF-8诱导的多位点键合网络在电场作用下能保持更大的带隙宽度，抑制高电场下的电子激发，起到了降低材料的导电性的效果