清华大学沈洋：极端条件下，柔性高温纳米复合材料中电热耦合击穿的相场模型

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聚合物基电介质由于其高击穿强度、柔性、易加工性和高度可靠性，是电动汽车、脉冲武器系统和电力电子等众多应用中具有广泛应用前景的材料之一，但目前大部分的研究都集中在聚合物纳米复合材料的室温介电性能上。在连续的极端条件下，如混合动力汽车、军事领域和油气勘探中的高温高电场条件下，聚合物基电介质由于电功耗产生的热量（即焦耳热）而容易热降解，进而会导致绝缘失效，其可能是由于温度升高导致本征击穿强度降低，或者由于电导率及随之产生的电功耗增加而导致温度进一步升高和热降解。

在先前的工作中，静电击穿相场模型的提出（Zhong-Hui Shen, et al. Adv. Mater. 2018, 1704380）被用于模拟聚合物纳米复合材料的介电击穿过程，其结合了相分离能量、梯度能量和电能，但是不包含热能。因此，各类聚合物纳米复合材料的预测击穿强度和能量密度均对应于室温。本文在前期模型的基础上考虑了焦耳热的贡献，研究了聚合物纳米复合材料击穿中的热效应，并构建了微观结构的数据集合。当相应聚合物纳米复合材料薄膜沉积上电极，然后缠绕成实际电容器时，计算得到了相应的有效热导率、有效导电率和稳态温度分布。根据模拟结果，分析了增加导热系数和降低电导率的相对有效性。

近日，中国清华大学的教授和美国宾夕法尼亚州立大学的Long-Qing Chen教授和Jian-Jun Wang博士（通讯作者）等人，研究发现聚合基介电材料因其高密度的储能特点得到越来越多研究者的关注。但是电容器中的热效应仍是一个挑战。本文构建了电热耦合击穿的相场模型，有助于理解实际电容器配置中，热效应对聚合物基电介质的介电性能的影响，例如介电损耗的增加和击穿强度的降低。尽管提高聚合物纳米复合材料的导热性和降低其电导率可以缓解热效应，但研究结果表明降低电导率更为有效。这项工作不仅将引起人们对聚合物基电介质中热效应的关注，而且还会为缓解热击穿提供基本指导。相关成果以“Phase-Field Model of Electrothermal Breakdown in Flexible High-Temperature Nanocomposites under Extreme Conditions”为题发表在Advanced Energy Materials上, 第一作者为清华大学材料学院2014级直博生沈忠慧。