清華材料學(xué)院南策文和沈洋課題組發(fā)文報道利用高通量相場模擬設(shè)計的高能量密度復(fù)合電介質(zhì)
11月23日，材料學(xué)院南策文和沈洋課題組在《先進(jìn)材料》 （Advanced Materials）期刊在線發(fā)表題為《高通量相場模擬設(shè)計高能量密度的聚合物納米復(fù)合材料》（High-Throughput Phase-Field Design of High-Energy-Density Polymer Nanocomposites）的論文。文章中將相場法用于模擬介電擊穿過程，并通過高通量計算與篩選，設(shè)計新型的疊層復(fù)合電介質(zhì)，為新型復(fù)合電介質(zhì)的設(shè)計提供了新思路，也為進(jìn)一步打破復(fù)合電介質(zhì)中介電強(qiáng)度和介電常數(shù)之間的倒置耦合關(guān)系提供了理論指導(dǎo)，同時也實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)-性能-設(shè)計的一體化計算。
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電介質(zhì)靜電電容器是重要的基礎(chǔ)電子元件，同時也是廣泛用于電子電力系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等領(lǐng)域的儲能器件。跟電化學(xué)儲能器件(如: 電池、超級電容器)相比，介電電容器具有更高的功能密度、更高的工作電壓、超長的循環(huán)使用壽命并具有全固態(tài)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。但其低的體積能量密度限制了其廣泛的應(yīng)用。
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介電電容器的能量密度主要由其介電強(qiáng)度和介電常數(shù)共同決定。聚合物由于其較高的擊穿場強(qiáng)，良好的加工性能以及柔性等特點被廣泛應(yīng)用于電介質(zhì)材料。但其較低的介電常數(shù)，限制了能量密度的提高。近幾年大量實驗表明采用高介電氧化物作為納米填料與聚合物基體復(fù)合，利用界面極化可顯著提升介電常數(shù)，但高介電填料的引入會引起界面局域電場的不均勻，致使介電強(qiáng)度明顯降低。如何更好地認(rèn)識界面效應(yīng)所帶來的“1+1≠2”的現(xiàn)象，是進(jìn)一步提高能量密度的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。
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南策文和沈洋課題組提出靜電擊穿相場模型，以PVDF-BaTiO3為例，解釋了復(fù)合電介質(zhì)其微觀結(jié)構(gòu)與宏觀有效介電性能的關(guān)系，并利用高通量計算與篩選，設(shè)計出新型三明治疊層復(fù)合電介質(zhì)。該工作首先基于相場理論，以能量為判據(jù)，構(gòu)建靜電擊穿模型來模擬不同微觀結(jié)構(gòu)下?lián)舸┞窂降难莼^程，并與實驗結(jié)果很好地吻合，結(jié)果表明擊穿路徑的演化與界面處電場的聚集密切相關(guān)。隨后在微觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集合的基礎(chǔ)上，利用高通量計算預(yù)測與之對應(yīng)的介電性能集合（擊穿場強(qiáng)、介電常數(shù)和能量密度），基于高通量篩選和參數(shù)優(yōu)化后，設(shè)計出將能量密度提高2.44倍的三明治疊層復(fù)合電介質(zhì)。
圖1 微觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集合-有效介電性能數(shù)據(jù)集合-疊層復(fù)合電介質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計流程圖
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清華大學(xué)材料學(xué)院的沈洋副教授和賓夕法尼亞州立大學(xué)的王建軍博士為該論文的通訊作者，清華大學(xué)材料學(xué)院2014級博士生沈忠慧和王建軍博士為本文的共同第一作者，該研究得到了國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）和國家自然科學(xué)基金等的經(jīng)費(fèi)支持。
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論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201704380/full
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