清华大学沈洋教授:三维纳米结构调控助力超高能量密度和高放电效率聚合物纳米复合材料

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聚合物基复合材料是标志性的人造材料，体现了现代材料科学和工程的力量，在现代航空、汽车和国防工业中发挥着关键作用。与1D材料结合，如纤维玻璃、钢或碳纳米纤维，聚合物基复合材料能够同时具有较高的强度和韧性，表现出优异的机械性能。然而，1D强化还会导致聚合物复合材料的其他两个维度减弱。为了将微观结构的调控扩展到另外两个维度，受自然界生物启发，聚合物复合材料模仿骨骼、牙齿或珍珠层中的复杂层状结构。

介电材料构建的静电电容器是先进电子工业和电力系统中的关键组件，因为它们能够提供超高功率密度，具有低介电损耗以及在极高的工作电压环境下，拥有高可靠性。目前，静电电容器的放电能量密度远远不能满足高效电力系统不断增长的需求。为了提高能量密度，将高介电常数陶瓷纳米颗粒引入聚合物基体中成为有效的方法之一。目前研究表明，调节纳米结构对于缓解电介质材料中复杂的多重应力场确实非常有效。但是，还没有尝试在三个维度调控介电复合材料。这里研究人员通过非平衡处理方法实现了一维纳米纤维的组份梯度和方向调控。

近日，清华大学沈洋教授研究小组通过控制聚合物基体中纳米填料的3D分布和取向制备了人造纳米复合材料。这些纳米复合材料可承受高达≈10kV的电压，表现出高介电击穿强度和低漏电流。该研究成果以“Polymer Nanocomposites with Ultrahigh Energy Density and High Discharge Efficiency by Modulating their Nanostructures in Three Dimensions”为题发表在Adv. Mater.上，第一作者为清华大学材料学院博士毕业生张鑫。