介电(电介质)电容器可以在极短的时间内(毫秒级)将储存的电能进行释放,产生极大的能量脉冲,这是电池、超级电容器等其他电力存储设备无法实现的。这一特性使其被广泛应用在脉冲功率系统、电力电子变换器、新能源汽车以及电网调频等一系列需要高功率密度的领域中。高性能的介电材料作为电容器的核心材料,依然存在储能密度(储存电荷的能力)较低的问题,如果能将其储能密度提高2-3个数量级,则将给相关电子、能源等技术领域带来重大突破。高功率密度、高压电容器、电力存储装置的微型化、小型化及轻量化刺激了聚合物介电材料快速发展,但因聚合物介电材料(包括聚合物介电复合材料)为主体的电容器仍然存在热稳定性差,无法在高温环境下稳定工作的问题,尤其在高电场作用下,温度升高会导致聚合物电介质内部泄漏电流呈指数上升,造成充放电效率及储能密度急剧下降。耐高温、高储能密度的聚合物电介质材料,特别是在高温下(≥150℃)依然保持高储能密度和充放电效率的聚合物电介质材料的研究依然面临挑战。本论文通过设计合成可交联聚芳醚砜(DPAES)以及对无机钛酸钡纳米粒子(BT)表面修饰可反应官能团,可以实现不同形式的交联网络结构的构建。系统研究了不同交联方式,不同纳米交联点对复合材料高温介电储能性能的影响,并借助于相场模拟和有限元模拟分析界面结构与复合电材料性能的关系。主要研究内容如下:1.设计,合成具有高玻璃化转变温度的含有丙烯侧基可自交联聚芳醚砜聚合物。通过高温热交联构建聚合物交联网络,制备了一系列交联型聚醚砜/钛酸钡复合材料(BT/c-DPAES),相较于未交联的复合材料(BT/DPAES),BT/c-DPAES展现出了更好的机械性能和热性能,10 vol%BT/c-DPAES的杨氏模量达到2.7 GPa,拉伸强度达到70.3 MPa,断裂伸长率也在4.2%以上,玻璃化转变温度也高达234oC,这使其具有较好的高温介电稳定和储能性能。特别是,在150℃和200 MV m-1下,BT/c-DPAES的储能密度和充放电效率均优于BT/DPAES,这表明聚合物交联网络对分子链的限制可以有效提高复合材料在高温下的介电储能性能。2.为了进一步拓展交联网络的构建方式,提高聚合物复合材料的高温介电储能性能,我们首次提出“双交联网络结构”的构建策略,即纳米粒子与聚合物之间的交联网络与聚合物自身的交联网络协同并存。利用表面修饰的纳米钛酸钡(BT-BCB)与DPAES的不同官能团反应活化能差异,通过控制交联温度和时间,实现双交联网络结构复合材料(BT-BCB@DPAES(D))的可控制备。当BT-BCB含量为10 vol%时,复合材料BT-BCB@DPAES(D)在400 MV m-1下的储能密度为3.1 J cm-3,同时充放电效率依然保持在75%以上。3.为了探索界面交联网络对介电性能的影响,开发了相场模型,从局部电场和能量密度的角度研究了采用不同交联方式的复合材料击穿过程。通过相场模拟,我们发现界面与聚合物之间的交联网络使得界面处的电导率与聚合物的电导率相近,具有高绝缘性,并且有利于缓解局部电场畸变和降低漏电流,减少界面处焦耳热。而且相场模拟的击穿演变路径表明,相比较单一交联网络,双交联网络结构复合材料(BT-BCB@DPAES(D))的构建能够有效的阻止击穿的发生。这使得其在150℃下具有更高的特征击穿强度,达到442 MV m-1;并且在150℃和200 MV m-1下,具有长时循环稳定性。这表明了双交联网络体系在提高高温储能密度和充放电效率方面具有很好的优越性。4.通过引入不同尺寸的纳米交联点调控交联度大小,用于改善介电不匹配和减少聚合物/陶瓷复合材料中存在的界面缺陷。系统的研究了不同交联度对复合材料热性能、机械性能、介电性能和储能性能的影响,并借助有限元仿真模拟手段揭示电场分布的差异。在100 nm BT-BCB@DPAES纳米复合材料中出现的局部电场的更均匀分布,导致增强击穿强度,这与实验数据特征击穿强度相一致。研究结果表明,界面极化会降低高温击穿强度,但适当的提高交联度一定程度上起到了改善击穿强度的作用。综上所述,具有双交联网络结构的复合材料在20~200℃具有稳定的介电性能,并且在150℃下具有高储能密度、高充放电效率和长时循环性能,在开发耐高温、高储能密度电容器方面具有潜在的应用前景。