Nanocompósitos Poliméricos Modulados por Estrutura Topológica que Exibem Altamente Melhorada Resistência Die elétrica e Densidade de Energia

Materiais dielétricos com altas densidades de energia elétrica e baixas perdas dielétricas são de importância crítica em várias aplicações em sistemas modernos de eletrônica e energia elétrica. Um nanocompósito orgânico-inorgânico 0–3, no qual nanopartículas (0-dimensionais) estão embutidas em uma matriz polimérica conectada tridimensionalmente, tem o potencial de combinar a alta resistência à ruptura e baixa perda dielétrica do polímero com a alta constante dielétrica dos preenchimentos cerâmicos, representando uma abordagem promissora para realizar altas densidades de energia. No entanto, uma desvantagem significativa dos compósitos explorados até agora é que a constante dielétrica aumentada dos compósitos é à custa da resistência à ruptura, limitando a densidade de energia e a confiabilidade dielétrica. Neste estudo, ao expandir a abordagem tradicional do nanocompósito 0–3 para uma estrutura em camadas que combina as propriedades complementares das camadas constituintes, pode-se realizar tanto um maior deslocamento dielétrico quanto um campo de ruptura mais alto do que o da matriz polimérica. Em uma estrutura típica de 3 camadas, por exemplo, uma camada central de nanocompósito de maior resistência à ruptura é introduzida para melhorar substancialmente a resistência à ruptura geral do filme compósito estruturado em camadas, e as camadas compósitas externas preenchidas com uma grande quantidade de nanopreenchimentos de alta constante dielétrica podem então ser polarizadas até campos elétricos mais altos, aumentando assim o deslocamento elétrico. Como resultado, os nanocompósitos modulados por estrutura topológica, com uma nanomorfologia e estrutura compósita otimamente ajustadas, produzem uma densidade de energia descarregada de 10 J/cm³ com uma resistência à ruptura dielétrica de 450 kV/mm, muito superior a aquelas relatadas em todos os estudos anteriores de nanocompósitos.