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  11月23日，清華大學(xué)材料學(xué)院南策文教授和沈洋副教授課題組和賓夕法尼亞州立大學(xué)王建軍博士在《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(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)-性能-設(shè)計的一體化計算。

  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(diǎn)。但其低的體積能量密度限制了其廣泛的應(yīng)用。

  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(diǎn)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(shí)驗(yàn)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。

  清華大學(xué)材料學(xué)院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(shí)驗(yàn)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

  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(diǎn)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。

  論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201704380/full