引言
聚合物基復(fù)合材料是標(biāo)志性的人造材料，體現(xiàn)了現(xiàn)代材料科學(xué)和工程的力量，在現(xiàn)代航空、汽車和國(guó)防工業(yè)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。與1D材料結(jié)合，如纖維玻璃、鋼或碳納米纖維，聚合物基復(fù)合材料能夠同時(shí)具有較高的強(qiáng)度和韌性，表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能。然而，1D強(qiáng)化還會(huì)導(dǎo)致聚合物復(fù)合材料的其他兩個(gè)維度減弱。為了將微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控?cái)U(kuò)展到另外兩個(gè)維度，受自然界生物啟發(fā)，聚合物復(fù)合材料模仿骨骼、牙齒或珍珠層中的復(fù)雜層狀結(jié)構(gòu)。
介電材料構(gòu)建的靜電電容器是先進(jìn)電子工業(yè)和電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，因?yàn)樗鼈兡軌蛱峁┏吖β拭芏龋哂械徒殡姄p耗以及在極高的工作電壓環(huán)境下，擁有高可靠性。目前，靜電電容器的放電能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足高效電力系統(tǒng)不斷增長(zhǎng)的需求。為了提高能量密度，將高介電常數(shù)陶瓷納米顆粒引入聚合物基體中成為有效的方法之一。目前研究表明，調(diào)節(jié)納米結(jié)構(gòu)對(duì)于緩解電介質(zhì)材料中復(fù)雜的多重應(yīng)力場(chǎng)確實(shí)非常有效。但是，還沒(méi)有嘗試在三個(gè)維度調(diào)控介電復(fù)合材料。這里研究人員通過(guò)非平衡處理方法實(shí)現(xiàn)了一維納米纖維的組份梯度和方向調(diào)控。
成果簡(jiǎn)介
近日，清華大學(xué)沈洋教授（通訊作者）研究小組通過(guò)控制聚合物基體中納米填料的3D分布和取向制備了人造納米復(fù)合材料。這些納米復(fù)合材料可承受高達(dá)≈10kV的電壓，表現(xiàn)出高介電擊穿強(qiáng)度和低漏電流。該研究成果以“Polymer Nanocomposites with Ultrahigh Energy Density and High Discharge Efficiency by Modulating their Nanostructures in Three Dimensions”為題發(fā)表在Adv. Mater.上，第一作者為清華大學(xué)材料學(xué)院博士畢業(yè)生張?chǎng)巍?/p>
圖文導(dǎo)讀
圖1. 調(diào)控聚合物基體中納米填料分布和取向的非平衡制備工藝
BaTiO3納米顆粒(a1)和納米纖維(b1)填充的P(VDF-HFP)基復(fù)合纖維示意圖與SEM圖；
低轉(zhuǎn)速收集由BaTiO3納米顆粒(a2)和納米纖維(b2)填充的隨機(jī)分布復(fù)合纖維網(wǎng)；
(c2) 在高轉(zhuǎn)速收集由BaTiO3納米纖維填充的平行復(fù)合纖維網(wǎng)；
隨機(jī)分布BaTiO3納米顆粒 (a3)，隨機(jī)取向BaTiO3納米纖維(b3)和平行取向BaTiO3納米纖維(c3)填充的P(VDF-HFP)基復(fù)合薄膜示意圖。
圖2. P(VDF-HFP)/BaTiO3復(fù)合材料的示意圖和SEM截面圖
(a) 顆粒-SLS的示意圖和SEM截面圖；
(b) 顆粒-LSL的示意圖和SEM截面圖；
(c) 隨機(jī)顆粒的示意圖和SEM截面圖；
(d) 平行纖維的示意圖和SEM截面圖；
(e) 正交纖維的示意圖和SEM截面圖；
(f) 任意纖維的示意圖和SEM截面圖，其中標(biāo)尺全為2μm。
圖3. 不同構(gòu)型納米復(fù)合材料的力學(xué)和電學(xué)性質(zhì)
(a) 外平面楊氏模量；
(b) Weibull分布統(tǒng)計(jì)得到的形狀參數(shù)和特征擊穿強(qiáng)度；
(c) 不同電場(chǎng)下的漏電流密度變化；
(d) 相場(chǎng)法模擬的不同構(gòu)型的P(VDF-HFP)/BaTiO3納米復(fù)合材料的電場(chǎng)分布。
圖4. 不同構(gòu)型納米復(fù)合材料的介電和儲(chǔ)能性能
不同構(gòu)型的BaTiO3納米顆粒(a1)和納米纖維(a2)填充P(VDF-HFP)納米復(fù)合材料的介電常數(shù)（實(shí)心）、介電損耗（空心）和頻率的關(guān)系；
不用構(gòu)型的納米復(fù)合材料，提高的能量密度(b1)、放電能量密度（綠）和效率（灰）(b2)；
大尺寸純P(VDF-HFP)膜宏觀圖(c1)、BaTiO3納米顆粒填充的納米復(fù)合物宏觀圖(c2)，BaTiO3納米纖維填充的納米復(fù)合物宏觀圖(c3)；
(d)在300 kV mm?1下，從小面積到大面積BaTiO3納米纖維填充納米復(fù)合物的循環(huán)穩(wěn)定性。
圖5. 相場(chǎng)法模擬不同構(gòu)型納米復(fù)合材料的擊穿途徑變化
不同構(gòu)型P(VDF-HFP)納米復(fù)合材料：(a) 顆粒-SLS ,(b) 顆粒- LSL， (c)隨機(jī)顆粒，(d)平行纖維，(e)正交纖維，(f)隨機(jī)纖維。
小結(jié)
研究人員通過(guò)調(diào)節(jié)納米填料的三維分布和取向來(lái)構(gòu)建具有各向異性的納米復(fù)合材料，大大改善了納米復(fù)合材料的機(jī)械和電學(xué)行為，顯著提高擊穿強(qiáng)度和能量密度。BaTiO3正交取向纖維填充的納米復(fù)合材料，在690 kV mm-1電場(chǎng)下的最高能量密度約為25.5 J cm-3，放電效率約為76.3％。這種方法不僅適用于卷對(duì)卷制造工藝，并且可以作為具有復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合材料大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)。
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