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  在國家杰出青年基金，國家自然科學基金委基礎(chǔ)科學中心項目，973計劃、和國家重點研發(fā)計劃等項目的資助下，清華大學材料學院功能復合材料沈洋教授課題組與美國賓夕法尼亞州立大學合作，在柔性聚合物基納米復合電介質(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合，制備納米復合電介質(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合電介質(zhì)薄膜的連續(xù)規(guī)模化生產(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合電介質(zhì)的高通量模擬和結(jié)構(gòu)設計（Adv. Mater. 2018, 1704380, 第一作者為2014級直博生沈忠慧。

  針對實際應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)降低電導率較之提高熱導對消解焦耳熱效應更有效（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。

  功能復合材料課題組近期的實驗工作實現(xiàn)了柔性納米復合電介質(zhì)材料的三維結(jié)構(gòu)調(diào)控，為聚合物復合薄膜的連續(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