研究背景
石油基聚合物已被广泛用于研究制备介电电容器，但它们通常是不可降解的，容易造成严重的环境压力。纤维素基介电电容器被认为是下一代储能材料，其广泛应用有助于解决日益严重的环境污染问题。然而，纤维素优异的亲水性限制了其在潮湿环境中的应用。此外，氢键的强自组装行为导致纤维素薄膜容易收缩，使制备高质量的纤维素薄膜变得困难。醋酸纤维素（CA）是纤维素的酯化产物，由于纤维素分子中的羟基被乙酰基取代，氢键力减弱，不仅降低了CA的亲水性，也赋予了CA良好的成膜性能。但CA的击穿强度（Eb）较低，制约了其实际应用。
文章要点
本文采用溶液浇铸法制备了CA基三明治结构复合薄膜。具体来说，CA作为中间层，而聚甲基丙烯酸甲酯/聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PMMA/P(VDF-HFP)）（MF）共混物作为抗击穿层。在这种三明治结构中，良好的层间相互作用使复合膜具有多尺度抗击穿的梯度分布结构。这种梯度结构通过在界面处积聚电荷，形成额外的界面极化，从而优化了空间电荷分布。连续变化增强了宏观介电响应，提高了介电常数。它还可以均匀分布电场以增强Eb。此外，具有较宽带隙的MF 外层显著阻止电荷注入，CA中间层具有较强的电子吸附能力，共同降低了复合膜的漏电流密度。最后，复合膜在150 ℃下仍具有良好的电容性能。例如，2MF-CA-2MF复合薄膜在600 MV/m时的最大放电能量密度为6.48 J/cm3，充放电效率为76.48%，大大优于市售的双轴取向聚丙烯（BOPP）薄膜。本工作表明，通过适当的加工方法，CA基三明治结构复合薄膜可以作为高温介质电容器使用。
图文展示
图1. (a) CA, PMMA, P(VDF-HFP), P(VDF-HFP)/CA 和PMMA/CA共混物的红外光谱。(b, c) 不同复合薄膜的红外光谱。 (d) CA, PMMA, P(VDF-HFP)和2MF-CA-2MF复合薄膜的XPS光谱。 (e) CA, PMMA, P(VDF-HFP)和MF共混物的DSC曲线。(f, g) 不同复合薄膜的TGA和DTG曲线。
图2. (a) 不同复合薄膜常温介电性能频谱图。 (b) 不同复合薄膜常温1000 Hz时介电性能对比图。(c) 不同复合薄膜150 ℃介电性能频谱图。(d) 不同复合薄膜150 ℃和1000 Hz时介电性能对比图。(e) 介电性能随外层厚度变化机理示意图。
图3. (a) 不同复合薄膜的Weibull分布图。(b) CA和2MF-CA-2MF复合薄膜的lnσ对逆温度（1000/T）的拟合曲线。(c) 通过界面处的深陷阱捕获空间电荷的过程的图示。(d) 不同复合薄膜在200 MV/m和150 ℃的漏电流密度。(e) 不同复合薄膜的势垒高度和跳跃距离汇总。
图4. 分别模拟CA和2MF-CA-2MF复合薄膜的(a，b) 电势和(c，d) 电场。(e，f) CA和2MF-CA-2MF复合薄膜的温升模拟。
图5. (a) 不同复合薄膜在150 ℃的极化能力比较。 (b) 不同复合薄膜在150 ℃的储能性能。 (c) CA和2MF-CA-2MF在150 ℃的介电和储能性能比较。(d) 在600 MV/m和150 ℃时，在2MF-CA-2MF的不同区域测试的储能性能。(e) 2MF-CA-2MF在500 MV/m和150 ℃的循环耐久性。(f) 2MF-CA-2MF与文献报道的其他薄膜在150 ℃储能性能比较。
本工作以“Enhancing the high-temperature energy storage performance of sandwich-structured cellulose acetate composite films via multi-scale breakdown-resistant gradient distribution structure”为题发表在TOP期刊《Composites Part B: Engineering》（IF: 14.2，中科院材料科学大类1区）。论文的第一作者为西南交通大学2021级博士生张帆，通讯作者为av直播
王勇教授。
Fan Zhang, Wen-jin Hu, Ji-Quan Liu, Nan Zhang, Jing-hui Yang, Yong Wang*. Enhancing the high-temperature energy storage performance of sandwich-structured cellulose acetate composite films via multi-scale breakdown-resistant gradient distribution structure. Composites Part B: Engineering, 2025, 308, 112979.
文章链接：//doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.112979
王勇教授团队入选2020年四川省青年科技创新研究团队，团队主要从事高分子材料增强增韧、功能（导热、介电、相变、阻燃等）高分子复合材料的研究。现有教授1人、副教授2人、高工1人、讲师3人、博士后1人。团队主持包括9项国家自然科学基金在内的科研项目60余项，获2018年度四川省自然科学二等奖和2021年度四川省技术发明奖二等奖。在Prog. Polym. Sci.、Nano Micro lett.、Macromolecules等期刊发表高质量论文300余篇，ESI高被引论文6篇；主编教材1部，参编英文专著1部；申请或授权国家发明专利30余项。
