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  11月23日，清華大學材料學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王建軍博士在《先進材料》 （Advanced Materials）期刊在線發(fā)表題為《高通量相場模擬設計高能量密度的聚合物納米復合材料》（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，設計新型的疊層復合電介質，為新型復合電介質的設計提供了新思路，也為進一步打破復合電介質中介電強度和介電常數(shù)之間的倒置耦合關系提供了理論指導，同時也實現(xiàn)了結構-性能-設計的一體化計算。

  電介質靜電電容器是重要的基礎電子元件，同時也是廣泛用于電子電力系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等領域的儲能器件。跟電化學儲能器件(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)結構的優(yōu)點。但其低的體積能量密度限制了其廣泛的應用。

  介電電容器的能量密度主要由其介電強度和介電常數(shù)共同決定。聚合物由于其較高的擊穿場強，良好的加工性能以及柔性等特點被廣泛應用于電介質材料。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，致使介電強度明顯降低。如何更好地認識界面效應所帶來的“1+1≠2”的現(xiàn)象，是進一步提高能量密度的基礎和關鍵。

  清華大學材料學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，解釋了復合電介質其微觀結構與宏觀有效介電性能的關系，并利用高通量計算與篩選，設計出新型三明治疊層復合電介質。該工作首先基于相場理論，以能量為判據(jù)，構建靜電擊穿模型來模擬不同微觀結構下?lián)舸┞窂降难莼^程，并與實驗結果很好地吻合，結果表明擊穿路徑的演化與界面處電場的聚集密切相關。隨后在微觀結構數(shù)據(jù)集合的基礎上，利用高通量計算預測與之對應的介電性能集合（擊穿場強、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，設計出將能量密度提高2.44倍的三明治疊層復合電介質。

圖1 微觀結構數(shù)據(jù)集合-有效介電性能數(shù)據(jù)集合-疊層復合電介質結構設計流程圖

  清華大學材料學院的沈洋副教授和賓夕法尼亞州立大學的王建軍博士為該論文的通訊作者，清華大學材料學院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研究發(fā)展計劃（973計劃）和國家自然科學基金等的經費支持。

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