聚合物電介質的案例
Rev.》綜述: 儲能電容器用全有機聚合物介電材料的進展與展望
圖2 論文目錄
本綜述首先介紹了薄膜電容器介電材料的相關理論基礎，包括極化、擊穿機理以及介電損耗；然后詳解介紹了從材料到器件的大規模制備流程；接著總結了儲能電容器領域基于全有機聚合物材料的最新研究，從本征聚合物、分子鏈改性聚合物、多相聚合物角度入手，重點關注提高介電性能和儲能性能的策略；最后回顧了計算機輔助計算，包括密度泛函理論、機器學習和材料基因組等，在聚合物電介質的合理設計和性能預測中的應用。基于對近期該領域研究進展的全面總結，作者提出了用于儲能電容器用的全有機聚合物介電材料未來發展的挑戰與展望。
圖3 存在的挑戰和未來的展望
該論文第一作者為清華大學博士生馮啟琨，通訊作者為清華大學電機系黨智敏教授，其他合作者還包括清華大學電機系博士后鐘少龍、清華大學電機系博士生裴家耀、鄭州大學電氣學院講師趙玉、清華大學電機系博士后張冬麗、清華大學電機系博士生劉荻帆和清華大學電機系博士生張涌新。《Chemical Reviews》于1924年由美國化學會（American Chemical Society）發行, 是國際化學化工領域影響力最高的學術期刊之一，2020年影響因子為60.622，在化學類期刊中排名第一。該研究工作得到了國家重點研發計劃基金和國家自然科學基金支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00793
作者簡介：
馮啟琨，清華大學電機系2019屆博士生，導師為黨智敏教授，主要從事高儲能電容器用薄膜電介質以及先進絕緣材料的研究，已在Compos. Sci. Technol., Appl. Phys.
展開 中國海洋大學史志成課題組AFM：設計了一種兼具高效率和高能量密度的非對稱三層全聚合物介質復合材料
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202100280
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.1c08063
相關進展
面向空天飛行器的一種超輕導熱聚合物電介質材料
西安交通大學張志成教授與海軍工程大學魯軍勇團隊合作，在氫鍵調控的高儲能、低損耗玻璃態聚合物電介質方面取得進展
清華大學李琦副教授、何金良教授：一種顯著提高聚合物電介質高溫儲能特性的通用化、高通量、環境友好的制備方法
清華大學沈洋教授課題組在柔性聚合物基納米復合電介質材料方面取得新進展
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展開 上海交大黃興溢教授《Science Bulletin》：高導熱電極化儲能納米復合電介質
聚合物電介質憑借超快的能量轉換速率、極高的耐電能力以及優異可加工性等優點，在電力裝備與電力電子（如脈沖功率系統、逆變器、高壓直流換流閥）中有著廣泛的應用。隨著電氣技術的快速發展，電力裝備和電子器件向著小型化、 集成化和高性能化的發展，目前所使用的低介電常數聚合物電介質已難以實現高密度電極化儲能的目標。弛豫鐵電聚合物具有高介電常數和優異的加工性，在高電極化儲能應用中潛力巨大。然而，弛豫鐵電聚合物熱導率較低且機械性能差，在高電場下易受電離的高能電子破壞，電荷存儲能力差。
針對這一難題，上海交通大學黃興溢教授等提出了利用化學吸附制備高導熱電極化儲能納米復合電介質的無基質策略。該策略利用氮化硼納米片（BNNS）表面化學吸附氨基功能化的聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯（P(VDF-TrFE-CFE)- -g-PME-NH2）大分子，使聚合物復合介質的導熱系數可達2.42 W/mK，放電能量密度由5.2 J cm-3大幅增加到31.8 J cm-3。相關工作以“Chemical adsorption on 2D dielectric nanosheets for matrix free nanocomposites with ultrahigh electrical energy storage”在線發表在《Science Bulletin》。
根據O'Dwyer提出固體介質的擊穿理論，固體內的載流子（如，陰極注入的電子）在電場加速下與大分子鏈或其它雜質發生碰撞電離（collision ionization,），會產生大量離子化的電荷（如正電荷）。
展開 《先進材料》高溫電容器介質薄膜重要進展！
高溫電容器聚合物電介質薄膜規模化處理的工藝方法示意圖
為解決上述問題，課題組提出采用等離子體增強化學氣相沉積技術在聚合物薄膜表面快速沉積具有寬能帶隙的納米絕緣層，以提高電極/介質界面處的電荷注入勢壘，從而抑制聚合物電介質薄膜在高溫下的泄漏電流，大幅提高了聚合物電介質薄膜在高溫、高電場下的儲能特性。該方法能夠實現在大氣壓條件下快速沉積，具備連續處理的能力；其室溫沉積特性使得該方法直接適用于任意聚合物介質薄膜。通過引入卷對卷薄膜加工技術和動態沉積，可實現規模化、連續化生產。該方法具有無污染、簡便、高效、低成本等特點，并且可與現有聚合物電容器薄膜生產線相兼容。目前課題組已在該技術領域申請多項國內專利和PCT專利，并正與相關企業聯合進行產業化開發。
薄膜沉積區照片、電介質薄膜表面納米絕緣層斷面掃描電鏡圖和薄膜高溫介電儲能特性
近年來，李琦副教授專注于先進電介質材料的基礎研究和產業化開發，在材料結構設計和加工方法等領域取得了多項重要成果。相關工作發表在《自然》（Nature）、《美國科學院院刊》（PNAS）、《先進材料》（Advanced Materials）、《材料研究年度評述》（Annual Review of Materials Research）等期刊上。
該論文第一作者為清華大學電機系2014級博士生周垚，通訊作者為清華大學電機系李琦副教授、何金良教授以及美國賓夕法尼亞州立大學王慶教授，合作者還包括清華大學電機系曾嶸教授、胡軍副教授及中科院電工研究所邵濤教授。該研究成果得到了國家自然基金面上項目和北京市自然基金的支持。
來源：清華大學
展開 
《Science Advances》：高導熱、電絕緣介電聚合物的溶液剪切！
，它必須具備超輕、機械強度和介質強度高且導熱性能優異等特點。
突破：未來或許摩擦就能給手機充電
他們發明了一種新型聚合物作為電介質材料，通過在PVDF上用原子轉移自由基聚合物法接枝丙烯酸叔丁酯，解決這一問題。
電介質本身是一種絕緣體，但當給它接入電場時會發生極化。存在外在電場是，電介質會發生極化和去極化，實現充/放電的功能。
▲ 圖片來源：蔚山國立科技研究所（Ulsan National Institute of Science and Technology）
TENGs設備本身是由兩種可以互相摩擦的不同材料組成，通過摩擦，像玻璃、尼龍這樣的材料可以放出電子，而像硅、特氟龍這樣的材料正好吸收電子。TENGs將摩擦產生的機械能轉化成電能，可以為小型電子設備提供電力。
TENGs雖然它的特性很有用，但是摩擦發電的方式有一些缺陷。比如摩擦中材料無法均勻接觸，摩擦導致材料磨損嚴重，靜電對潮濕環境十分敏感，電力輸出時損耗較大。所以，這個韓國研發團隊最初將研究重點放在提升電量輸出方面，但是，在研發的過程中，他們可能解決了一些與TENGs相關的環境問題。
他們在Science Advances上發表的設備與喬治亞理工的研究很相似。但是，UNIST發明的新型聚合物電介質能夠從電極中吸取更多電量，輸出電力也更多。
論文鏈接：
http://advances.sciencemag.org/content/3/5/e1602902.full
UNIST的一位研究者，也是論文的共同作者Jeong Min Baik在IEEE Spectrum的郵件采訪中說道：“為了提升輸出電量，我們嘗試發明新的聚合物作為更有效的電介質，研發出了新的設備結構來減少內部電量損耗。作為一個材料科學家，我認為合成最佳的聚合物作為有效的電介質是非常重要的。”
展開 應變鐵電聚合物的環極拓撲
在此，研究者在一個鐵電聚合物，聚(偏二氟乙烯-ran-三氟乙烯)[P(VDF-TrFE)]中，展示了新興的環狀極性拓撲結構。P(VDF-TrFE)層狀晶體的有效排列，其鏈間偶極垂直于，聚合物鏈自組織成同心模式，產生了環形極性拓撲此外，在P(VDF-TrFE)中觀察到平行于聚合物鏈的鏈內鐵電，導致了所觀察到的鐵電弛豫行為。兩個正交的極化相互耦合，產生了鏈內壓電的環形分布。P(VDF-TrFE)的居里躍遷引起的雙軸應變，是導致環向有序和弛豫行為的原因，因為局部應變和彈性能，在極化態的平坦能量景觀下重新分布。
彈性能、電能和梯度能之間的相互作用，導致垂直于聚合物鏈的極化連續旋轉和環向組裝，而弛豫行為是沿著聚合物鏈誘導的。這種環形極面結構，會周期性地吸收極化遠紅外(FIR)波，從而可以在介觀尺度上操縱太赫茲波。
圖1 環極拓撲的觀察。
圖2 P(VDF-TrFE)薄膜的表征與計算。
圖3 面向P(VDF-TrFE)薄膜的性質。
圖4 FIR波的空間周期性吸收。
綜上，研究者的觀察，為柔性鐵質材料向復雜拓撲結構的設計原則提供了信息，并為柔性電子器件中的多刺激轉換提供機會。（文：水生）
展開 具有優異的電絕緣、高導熱性能的聚合物復合材料
聚合物良好的可加工性和電絕緣性能使其在熱管理中不可或缺，但其隨機盤繞的共價分子鏈會產生強烈的聲子散射，由此產生的低導熱系數極大地限制了其在散熱中的應用。
通過提高分子鏈的結晶度和有序度，聚乙烯纖維、聚乙烯薄膜、聚乙烯氧化物纖維和聚苯并二惡唑纖維獲得了優異的導熱系數。這為輕質、可加工和絕緣導熱材料開辟了兩個新思路。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)以其優異的力學性能、低密度、良好的耐化學性、高耐磨性等特點而備受關注。最近的研究已經擴大了在熱管理中使用聚乙烯的可能性。
超高分子量聚乙烯纖維具有較高的導熱系數和優良的絕緣性能，非常適合在電絕緣領域發展為導熱材料。目前，絕緣導熱材料主要是填充導熱填料，然而在高填充量下面臨導熱系數惡化、密度高、可加工性差等棘手問題。利用超高分子量聚乙烯纖維開發全聚合物復合材料有望解決上述問題。但目前很少有研究對超高分子量聚乙烯纖維復合材料的導熱系數進行研究，導熱系數大于10 W/mK的超高分子量聚乙烯復合材料更是罕見。
02
成果掠影
近期，北京大學白樹林教授在開發具有高導熱和電絕緣性能的聚合物復合材料取得新成果。
針對開發具有優異機械性能、電絕緣、高導熱的全聚合物復合材料，通過熱壓法制備了種具有（0°/90°、±45°）兩種取向結構的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維/環氧樹脂復合材料。發現±45°復合材料的面內導熱系數約為0/90°復合材料的1.3~1.4倍，并通過有限元模擬和模型計算驗證了相應的機理。
UHMWPE纖維形成的導熱通道使0/90°和±45°復合材料的面內導熱系數分別為9.94和13.61 W/mK。通過在纖維表面沉積聚多巴胺(PDA)和枝接聚醚胺(PEA)，改善了纖維/環氧樹脂界面的層間剪切強度(ILSS)和剪切模量分別提高了40.7%和52.3%。
展開 黃維院士團隊: 電紡共軛聚合物雜化微米纖維發光調制與導電性研究
自從20世紀70年代發現聚合物半導體以來，發光聚合物半導體由于可溶液加工、結構易修飾以及潛在的機械柔性行為，在未來柔性光電子技術領域顯示了巨大的應用潛力。通常來講，它們是一類由一系列稠環芳烴通過碳-碳共價鍵(C-C)聯接，具有特殊光電磁性質的第四代高分子材料。其中，π-共軛骨架誘導主鏈間易產生弱靜電和π-π堆積作用，鏈間聚集體(H-或J-聚集)普遍存在于聚合物固體薄膜中，并決定著材料的光電性質和器件穩定性。因此，通過調控鏈間弱作用和分子自組裝行為，實現對發光聚合物組裝體激發態發光的精準調控，是拓展高效寬帶隙發光聚合物應用領域的重要方法。
聚芴類半導體作為最具實際應用潛力的寬帶隙發光聚合物，因具有深藍光、高熒光效率、易修飾等優點而被廣泛應用于光電子器件。與其它發光聚合物類似，聚芴類材料在加工和后處理過程中呈現復雜的鏈構象行為和多相態轉變特性，易誘導薄膜中微納區域呈現各異的凝聚態結構，形成自摻雜的“主客體”物理微環境，為精準調控固態下材料的發光性質提供新的調控方案。因此，本課題組前期通過在芴的9位引入羥基基團，所構建的調控聚芴發光材料的自組裝行為，使其可以在溶液、納米結構及薄膜中呈現出多彩發光性質。相比于薄膜旋涂制備工藝，具有可定向拉伸作用的電紡絲技術，可有效調控分子鏈的聚集作用及能量轉移過程，為進一步調控超分子聚芴發光材料提供全新的制備工藝方案，也為系統研究分子聚集作用對發光動力學過程提供新的研究思路。
展開 RP系列 |聚焦激光束在電介質鏡上
如果你有一個緊密聚焦的激光束，被認為是一系列具有明顯不同傳播方向的平面波的疊加；這與光束發散度有關。
想象這樣的光束在介電鏡上反射，反射率不僅取決于波長，還取決于入射角。不應該將反射率作為主要方向；這實際上意味著你假設一個簡單的平面波的反射，忽略光束發散。那么問題來了：鏡子的角度依賴性是否會顯著影響這種光束的反射？
關于該問題的相關性的第一個檢查可能是計算反射率在相關角度范圍內是否有顯著變化；可以使用任何簡單的薄膜涂層軟件來完成。實際計算產生的反射率和可能的更多細節需要更多的東西，例如產生的反射光束輪廓——如何完成？
使用空間傅里葉變換
從數學上講，只要處于線性狀態，問題就不會太復雜，即只要涉及的光強度不太高。那么我們可以簡單的
將聚焦光束視為平面波的疊加，
根據其入射角計算每個平面波分量的反射
從反射平面波的疊加構造得到的反射光束。
換句話說，我們應用空間傅里葉變換（本質上意味著計算其平面波分量的幅度），將傅里葉變換與反射的幅度系數相乘，并在需要時變換回真實空間。
如何在實踐中做到這一點？
想象一下，如何使用無法進行此類計算的簡單薄膜涂層軟件來做到這一點。您可以從其他一些數值軟件開始，例如 Matlab 之類的軟件，以便將空間傅里葉變換應用于您的輸入光束，作為解釋算法的第一步。當您嘗試應用平面波分量的反射時，麻煩就來了。反射率計算不僅需要進行一次，還需要使用薄膜鍍膜軟件對每個組件進行計算——數字上可能計算 100 個或更多。因此，將其與其他軟件接口，例如，您可以從 Matlab 遠程控制它。這在某些情況下可能有效，但通常您沒有這樣的遠程控制功能。然后另一種方法是計算反射幅度與入射角的表格，將其存儲在文件中并將其導入 Matlab。無論如何，它變得乏味。然后你開始考慮在
展開 高絕緣-鐵電復合微粒顯著提高柔性聚合物復合材料的靜電儲能性能
近日，中國科學院深圳先進技術研究院先進材料科學與工程研究所（籌）在電介質儲能材料領域獲得新進展。該研究通過對填料粒子的設計，將具有高介電常數的鈦酸鋇粒子與具有高擊穿強度、高熱導率的氮化硼納米片進行結合，形成特殊結構的復合粒子，與聚合物復合后可顯著提高復合材料的擊穿強度和介電儲能性能。相關論文以Significantly Enhanced Electrostatic Energy Storage Performance of Flexible Polymer Composites by Introducing Highly Insulating-Ferroelectric Microhybrids as Fillers（高絕緣-鐵電復合微粒顯著提高柔性聚合物復合材料的靜電儲能性能）為題發表在權威刊物Advanced Energy Materials（《先進能源材料》，2018, 1803204，IF=21.875）。羅遂斌高級工程師為第一作者，于淑會研究員和孫蓉研究員為通訊作者。
圖(a) BT@BN復合顆粒的制備流程示意圖；(b) BT@BN復合顆粒TEM照片；(c) 復合材料擊穿強度。
電介質儲能技術具有異常快的能量轉換速率，同時具有工作時間長以及環境友好等特點，目前已經在現代電子電力工業如可穿戴電子、混合動力汽車、武器系統等領域得到廣泛應用。隨著電子器件向小型化和高性能化方向的發展，迫切需要具有高儲能密度的電介質材料。
為此，研究團隊將氮化硼納米片（BNNS）與鈦酸鋇（BT）納米顆粒的分散液進行混合和抽濾后，在較高溫度下處理，一定程度上熔融的BNNS將BT顆粒緊密包覆，形成復合顆粒BT@BN。
展開 
[VirtualLab] 超稀疏電介質納米線柵偏振器
摘要
超解析介質納米線柵顯示出強烈的偏振依賴特性，因此可以用作寬帶反射器[J.W.Yoon等人，Opt.Express 23，28849-28856（2015）]。使用傅里葉模態法（FMM，也稱為RCWA）研究選定納米線柵的偏振、波長和角度相關特性。對電場和納米線柵之間的相互作用進行了可視化。
建模任務
納米線
光柵級次分析器
場內部分析儀
總結-組件…
參數掃描（1D）
參數掃描（2D）
光柵內部場的可視化-TE
光柵內部場的可視化-TM
和文獻比較
VirtualLab Fusion 技術
文件信息
更多閱覽
-光柵順序分析器
-抗反射蛾眼結構的嚴格分析與設計
-納米柱金屬表面構建塊的嚴格分析
展開 用于提高熱管理能力的高導熱且電絕緣的聚合物/氮化硼納米片納米復合薄膜
【引言】
由于其多功能性和易加工性，現代電氣系統和電子設備的熱管理應用迫切需要導熱但電絕緣的聚合物復合材料。然而，增強聚合物復合材料的導熱性通常以輕質損失、柔韌性和電絕緣性的劣化為代價。本文報告了含有定向氮化硼納米片（BNNS）的先進聚合物納米復合材料，其表現出高導熱性，優異的電絕緣性和出色的柔韌性。這些納米復合薄膜可以通過靜電紡絲聚合物/BNNS納米復合纖維，垂直折疊電紡納米復合纖維，經壓制而構建。納米復合薄膜在33wt％BNNS負載量時具有超高的面內導熱系數。此外，與原始聚合物相比，納米復合膜具有優異的電絕緣性能，例如低的介電損耗，較高的電阻率和擊穿強度。在電源器件中證明了納米復合薄膜的強大熱管理能力，這表明了管理高功率密度電子設備的熱平面內高導熱性的重要性。
【成果簡介】
導熱且電絕緣的聚合物材料已廣泛應用于發光二極管（LED）、集成電子器件、能量存儲和轉換系統，軍事武器和航空航天工業中，以實現適當的熱管理。隨著電氣系統和電子設備的快速性能演進，傳統的聚合物復合材料不能滿足熱管理的高要求。因為聚合物材料雖具有優異的電絕緣性能，靈活性和設計自由度，但低固有導熱率限制了它們在熱管理中的適用性。因此，結合聚合物的優點和填料的高導熱性的復合材料被認為是理想的解決方案。其中，六方氮化硼納米片（BNNS）由于具有超高導熱性，寬帶隙（約5.9 eV）和高縱橫比2D形態，是有前途的導熱填料。
展開 Nature子刊：本征離子導電纖維素納米紙作為固體電介質用于低壓有機晶體管
基于OFETs的ICCNs的電特性
p-型小分子C8 - BTBT OFET的a、b 輸出(Id–Vd)特性曲線和c轉移曲線(Id–Vg)；
n-型小分子NTCDI - F15 OFET的d、e輸出(Id–Vd)特性曲線和f轉移曲線(Id–Vg)；
p-型聚合物PQT -12 OFET的g、h輸出(Id–Vd)特性曲線和i轉移曲線(Id–Vg)；
圖6 .柔性OFETs的彎曲測試
a Vg為6 V、Vd為5 V時的歸一化最大源-漏電流作為彎曲半徑的函數（歸一化到平坦狀態下測量的最大源-漏電流）；
b 彎曲測試的實施；
圖7. 基于ICCN的有機互補反相器
a 基于纖維素納米的有機互補反相器的照片及其簡化的電路圖；
b輸出電壓和c增益隨輸入電壓的變化。輸入電壓從-2 V掃描到4 V；
【總結】】
作者展示了一類環境友好的全固態離子導電纖維素納米紙( ICCN )電介質。觀察到該電介質材料具有高透明度、低表面粗糙度、良好的熱耐久性和優異的機械性能。ICCNs適用于包括p型小分子C8 - BTBT、n型小分子NTCDI - F15和聚合物半導體PQT - 12在內的不同類型的OSCs柔性OFETs的制備。并且，ICCNs可同時用作介電層和襯底層。所有這些器件都顯示出良好的OFETs性能，并且可以在低于2 V的柵極-源極電壓下工作。
展開 中山大學鄭治坤教授課題組等《JACS》：在聚合物導熱方面取得新進展
全文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c13458
來源：中山大學化學學院
相關進展
西工大顧軍渭教授《Research》：導熱高分子復合材料界面熱障重要研究成果
西南大學王明教授課題組CSTE：聚合物/碳基納米填料復合材料的高填料含量制備新策略及電磁屏蔽和導熱性能增強研究
面向空天飛行器的一種超輕導熱聚合物電介質材料
中科院化學所馬永梅研究員課題組《ACS Nano》: 平整石墨烯構筑高度各項異性導熱/導電柔性膜
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