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清华大学沈洋副教授和宾夕法尼亚州立大学王建军博士: 高通量相场模拟设计高能量密度的聚合物纳米复合材料
2017-12-01  来源:中国聚合物网

  11月23日,清华大学材料学院南策文教授和沈洋副教授课题组和宾夕法尼亚州立大学王建军博士在《先进材料》 (Advanced Materials)期刊在线发表题为《高通量相场模拟设计高能量密度的聚合物纳米复合材料》(High-Throughput Phase-Field Design of High-Energy-Density Polymer Nanocomposites)的论文。文章中将相场法用于模拟介电击穿过程,并通过高通量计算与筛选,设计新型的叠层复合电介质,为新型复合电介质的设计提供了新思路,也为进一步打破复合电介质中介电强度和介电常数之间的倒置耦合关系提供了理论指导,同时也实现了结构-性能-设计的一体化计算。

  电介质静电电容器是重要的基础电子元件,同时也是广泛用于电子电力系统、能源系统等领域的储能器件。跟电化学储能器件(如: 电池、超级电容器)相比,介电电容器具有更高的功能密度、更高的工作电压、超长的循环使用寿命并具有全固态结构的优点。但其低的体积能量密度限制了其广泛的应用。

  介电电容器的能量密度主要由其介电强度和介电常数共同决定。聚合物由于其较高的击穿场强,良好的加工性能以及柔性等特点被广泛应用于电介质材料。但其较低的介电常数,限制了能量密度的提高。近几年大量实验表明采用高介电氧化物作为纳米填料与聚合物基体复合,利用界面极化可显著提升介电常数,但高介电填料的引入会引起界面局域电场的不均匀,致使介电强度明显降低。如何更好地认识界面效应所带来的“1+1≠2”的现象,是进一步提高能量密度的基础和关键。

  清华大学材料学院南策文和沈洋课题组提出静电击穿相场模型,以PVDF-BaTiO3为例,解释了复合电介质其微观结构与宏观有效介电性能的关系,并利用高通量计算与筛选,设计出新型三明治叠层复合电介质。该工作首先基于相场理论,以能量为判据,构建静电击穿模型来模拟不同微观结构下击穿路径的演化过程,并与实验结果很好地吻合,结果表明击穿路径的演化与界面处电场的聚集密切相关。随后在微观结构数据集合的基础上,利用高通量计算预测与之对应的介电性能集合(击穿场强、介电常数和能量密度),基于高通量筛选和参数优化后,设计出将能量密度提高2.44倍的三明治叠层复合电介质。

图1 微观结构数据集合-有效介电性能数据集合-叠层复合电介质结构设计流程图

  清华大学材料学院的沈洋副教授和宾夕法尼亚州立大学的王建军博士为该论文的通讯作者,清华大学材料学院2014级博士生沈忠慧王建军博士为本文的共同第一作者,该研究得到了国家重点基础研究发展计划(973计划)和国家自然科学基金等的经费支持。

  论文链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201704380/full

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