基于超分子作用的无机/聚合物复合材料介电性能调控

Dielectric capacitors are of critical importance in modern electrical and electronic industry. Composite dielectrics of high energy density have been actively pursued in the past decade. The enhancement of energy density of the composite dielectrics lies in the modulation of interface between oxide nanoparticles and the polymer matrix in the composite dielectrics. In this project, supramolecular structures are rationally designed and synthesized for the modulation of the crucial interface polarization in composite dielectrics. The self-assembly of the synthesized organic molecules on the surface of the oxide nanoparticles will be thoroughly studied. The effect of the organic molecules on the dielectric and energy storage behavior of the oxide/polymer composites is explored. High quality composite dielectric films with energy density of ~ 30 J/cm3 will be prepared.

电介质电容器在智能电网、绿色新能源技术等领域具有广泛的战略需求，是激光武器、电磁炮等新型武器装备无可替代的核心储能元件。提高介质薄膜的储能密度是电介质电容器研究发展的焦点。对纳米粒子与聚合物基体之间界面的电学性质进行调制是提高复合薄膜储能密度的关键。本项目提出，以铁电BaTiO3、反铁电(PbLa)(ZrTi)O3纳米粒子和聚偏氟乙烯（PVDF）复合体系为研究对象，根据界面调控的要求理性设计具有优化空间构型和电荷分布的有机大分子，利用有机分子间的超分子作用在纳米粒子表面形成显微结构、电荷密度可控的超分子界面层。理论（第一性原理、相场方法）与实验相结合，跨尺度研究有机分子在氧化物纳米粒子表面自组装行为，探明超分子界面层对氧化物/聚合物复合电介质薄膜介电性能的影响规律，制备出储能密度 > 30 J/cm3的复合电介质薄膜，优化出高储能密度复合电介质薄膜的连续一致化制备工艺。

具有超高能量密度的电介质材料是电磁炮、电磁弹射等高能武器系统中无可取代的关键储能材料。复合电介质材料中界面是决定其介电储能性能的关键因素。本项目围绕界面层修饰及介电性能影响、界面精细结构的原位表征及计算模拟、微-介观界面结构设计及机理探究、复合电介质薄膜的规模化制备等方面取得了若干重要的研究成果：.（1）在超分子界面层修饰及介电性能影响方面，通过“原位自组装”的方法对纳米氧化物填料进行表面修饰，深入探究了不同形态超分子改性对聚合物基体和纳米氧化物填料相互作用的影响规律，并结合第一性原理计算解析了界面区电荷密度分布和电荷转移等情况，探明了超分子界面修饰层对复合薄膜介电、储能特性的影响规律；.（2）在界面精细结构的原位表征及计算模拟方面，通过在无机/聚合物界面处进行超分子改性，实现复合材料两相的相容改性和界面结构设计与调控。综合运用高分辨电子显微镜（HRTEM）、压电力显微镜（PFM、SKPM）、纳米微区红外吸收光谱（Nano-IR）等技术手段实现了对无机/聚合物界面显微结构和物性表征，并结合相场计算和第一性原理计算解析了无机/聚合物界面的微观极化机理；.（3）在微-介观界面结构设计及机理探究方面，基于对超分子微观界面层结构的解析与作用机制的认识，进一步进行介观界面结构设计。采用非平衡态制备方法，设计并制备了拓扑结构调制的多层/梯度结构复合材料，进一步提升了复合电介质的综合介电性能，并结合相场模拟解析了介观界面的击穿极化机制。.（4）在复合电介质材料连续制备及原型器件方面，发展了复合电介质薄膜的非平衡态快速制备方法，实现了高介电常数复合电介质薄膜的小批量试制，并采用卷绕工艺试制部分原型器件，探明了高介电复合电介质薄膜用于薄膜电容器的若干主要技术障碍，为进一步完善复合电介质的电容器初步奠定了基础。.本课题获授权中国发明专利2项，申请发明专利3项，在高水平学术期刊发表论文22篇，包括Nature Communications （1篇）、Advanced Materials （3篇）、Materials Today（1篇）、Advanced Energy Materials（2篇）等。