在國家杰出青年基金，國家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項目，973計劃、和國家重點研發(fā)計劃等項目的資助下，清華大學(xué)材料學(xué)院功能復(fù)合材料沈洋教授課題組與美國賓夕法尼亞州立大學(xué)合作，在柔性聚合物基納米復(fù)合電介質(zhì)材料方面再次取得重要進展。
介電電容器由于其超高的功率密度、高工作電壓及柔性全固態(tài)等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于電子電力系統(tǒng)中。目前以雙向拉伸聚丙烯BOPP為代表的商用聚合物薄膜電介質(zhì)介電常數(shù)過低，極大限制了其儲能密度（~1.2 MJ/m3）。該課題組前期提出將高介電常數(shù)的陶瓷填料與高介電強度的聚合物柔性基體相復(fù)合，制備納米復(fù)合電介質(zhì)材料的思路已經(jīng)得到了大量實驗驗證，實現(xiàn)了儲能密度的大幅提高（20 ~ 30 MJ/m3）。在前期工作的基礎(chǔ)上，課題組成員進一步發(fā)展了一種非平衡快速制備工藝用于聚合物復(fù)合電介質(zhì)薄膜的連續(xù)規(guī)；a(chǎn)，并實現(xiàn)了納米結(jié)構(gòu)的三維人工調(diào)控（Adv. Mater. 2018, 1707269, 第一作者為2017屆畢業(yè)生張鑫博士）。
該柔性薄膜呈現(xiàn)出良好的力學(xué)性能和介電性能，能夠承受高達10 kV的電壓，且具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。課題組成員進而利用相場方法對不同微觀結(jié)構(gòu)的介電性能進行了系統(tǒng)地模擬研究，解析了電擊穿的動態(tài)演化過程，并發(fā)展了通用方法用于柔性納米復(fù)合電介質(zhì)的高通量模擬和結(jié)構(gòu)設(shè)計（Adv. Mater. 2018, 1704380, 第一作者為2014級直博生沈忠慧。
針對實際應(yīng)用中薄膜電容器在高溫高壓條件下的熱穩(wěn)定性問題，課題組成員構(gòu)建了電-熱耦合的相場擊穿模型，研究了不同微觀結(jié)構(gòu)的薄膜電容器的高溫介電性能，發(fā)現(xiàn)降低電導(dǎo)率較之提高熱導(dǎo)對消解焦耳熱效應(yīng)更有效（Adv. Energy Mater. 2018, 1800509 第一作者為2014級直博生沈忠慧）。三篇文章的通訊作者均為沈洋教授。
功能復(fù)合材料課題組近期的實驗工作實現(xiàn)了柔性納米復(fù)合電介質(zhì)材料的三維結(jié)構(gòu)調(diào)控，為聚合物復(fù)合薄膜的連續(xù)生產(chǎn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，并通過相場模擬深入解析了極端條件下聚合物復(fù)合材料電、熱、力多場耦合機制。上述工作理論與工程相結(jié)合，為進一步拓展介電電容器在高功率、高儲能、高溫高壓等條件下的應(yīng)用提供了一種新思路。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201707269
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201704380
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201800509
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