《基於超分子作用的無機/聚合物複合材料介電性能調控》是依託清華大學，由沈洋擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於超分子作用的無機/聚合物複合材料介電性能調控
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：沈洋
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
電介質電容器在智慧型電網、綠色新能源技術等領域具有廣泛的戰略需求，是雷射武器、電磁炮等新型武器裝備無可替代的核心儲能元件。提高介質薄膜的儲能密度是電介質電容器研究發展的焦點。對納米粒子與聚合物基體之間界面的電學性質進行調製是提高複合薄膜儲能密度的關鍵。本項目提出，以鐵電BaTiO3、反鐵電(PbLa)(ZrTi)O3納米粒子和聚偏氟乙烯（PVDF）複合體系為研究對象，根據界面調控的要求理性設計具有最佳化空間構型和電荷分布的有機大分子，利用有機分子間的超分子作用在納米粒子表面形成顯微結構、電荷密度可控的超分子界面層。理論（第一性原理、相場方法）與實驗相結合，跨尺度研究有機分子在氧化物納米粒子表面自組裝行為，探明超分子界面層對氧化物/聚合物複合電介質薄膜介電性能的影響規律，製備出儲能密度＞30 J/cm3的複合電介質薄膜，最佳化出高儲能密度複合電介質薄膜的連續一致化製備工藝。
結題摘要
具有超高能量密度的電介質材料是電磁炮、電磁彈射等高能武器系統中無可取代的關鍵儲能材料。複合電介質材料中界面是決定其介電儲能性能的關鍵因素。本項目圍繞界面層修飾及介電性能影響、界面精細結構的原位表征及計算模擬、微-介觀界面結構設計及機理探究、複合電介質薄膜的規模化製備等方面取得了若干重要的研究成果：（1）在超分子界面層修飾及介電性能影響方面，通過“原位自組裝”的方法對納米氧化物填料進行表面修飾，深入探究了不同形態超分子改性對聚合物基體和納米氧化物填料相互作用的影響規律，並結合第一性原理計算解析了界面區電荷密度分布和電荷轉移等情況，探明了超分子界面修飾層對複合薄膜介電、儲能特性的影響規律；（2）在界面精細結構的原位表征及計算模擬方面，通過在無機/聚合物界面處進行超分子改性，實現複合材料兩相的相容改性和界面結構設計與調控。綜合運用高分辨電子顯微鏡（HRTEM）、壓電力顯微鏡（PFM、SKPM）、納米微區紅外吸收光譜（Nano-IR）等技術手段實現了對無機/聚合物界面顯微結構和物性表征，並結合相場計算和第一性原理計算解析了無機/聚合物界面的微觀極化機理；（3）在微-介觀界面結構設計及機理探究方面，基於對超分子微觀界面層結構的解析與作用機制的認識，進一步進行介觀界面結構設計。採用非平衡態製備方法，設計並製備了拓撲結構調製的多層/梯度結構複合材料，進一步提升了複合電介質的綜合介電性能，並結合相場模擬解析了介觀界面的擊穿極化機制。（4）在複合電介質材料連續製備及原型器件方面，發展了複合電介質薄膜的非平衡態快速製備方法，實現了高介電常數複合電介質薄膜的小批量試製，並採用卷繞工藝試製部分原型器件，探明了高介電複合電介質薄膜用於薄膜電容器的若干主要技術障礙，為進一步完善複合電介質的電容器初步奠定了基礎。本課題獲授權中國發明專利2項，申請發明專利3項，在高水平學術期刊發表論文22篇，包括Nature Communications （1篇）、Advanced Materials （3篇）、Materials Today（1篇）、Advanced Energy Materials（2篇）等。
