西安科技大学周文英教授在导体粒子/聚合物电介质的极化机理领域取得的新进展

周文英教授在题为"Core–Shell Engineering of Conductive Fillers toward Enhanced Dielectric Properties: A Universal Polarization Mechanism in Polymer Conductor Composites"的研究论文中，首次提出了导体粒子/聚合物电介质的普适极化机理。周文英教授为第一作者及通讯作者，西安科技大学为第一完成单位。

面对当前全球气候异常及空气污染的严峻形势，绿色新能源的研究、开发及利用是积极应对国家“碳达峰”和“碳中和”战略的重要策略，基于电极化原理的聚合物薄膜电容器因高电压脉冲放电、高功率密度、快速充放电及良好的自愈性等优势广泛应用在高频通讯、大功率雷达、电磁弹射及核聚变装置等领域，是当前新兴储能技术研究的前沿。当前，在面向高储能密度的核壳结构导体粒子/聚合物复合电介质领域存在着2个关键问题悬而未解：1）工程上难以实现设计和制备同步高介电常数及低损耗的复合电介质，2）理论上难以阐明复合电介质的高介电常数-低损耗协同提升的物理机制。

针对上述问题，压电催化与新能源电工材料团队在十余年研究基础上，设计和制备了不同结构的系列核壳结构锌粒子，和铁电聚合物PVDF复合；采用开尔文探针显微镜和Cole–Cole方程对复合材料的介电性能进行了实验研究和理论分析。研究发现：极化是由电子穿过几个相邻填料颗粒的传输决定的，本质上是类似畴型的极化过程（图1所示），针对导体粒子/聚合复合电介质，首次提出了填料粒子团簇内长程载流子迁移的电畴型极化机制，揭示了核壳结构填料影响聚合物复合材料的介电性能的物理机制。

图 1. a) 填料粒子形成极化团簇（畴domain）（黄色区域），和复合材料的极化程度，电子在极化畴内贡献极化，在畴外则贡献电导；b) 介电松弛强度与松弛时间关系：良好线性关系表明粒子簇的畴极化是主要的极化机理，而不是单一粒子或粒子/聚合物的界面极化；c) 传统逾渗体系及核壳结构粒子/聚合物体系内不同电性能的粒子簇的尺寸演化过程。

当前被广为接受的界面极化理论无法解释在逾渗结构电介质中观察到的介电常数升高而损耗降低的实验事实，无法为高介电-低损耗电介质的设计提供理论指导。本论文提出的填料粒子的团簇极化机制合理阐明了这类反常介电行为背后的物理机制，揭示了电介质的微观结构-极化与宏观介电性能之间的构效关系。在此基础上，本研究在高含量（>fc）填料下通过调控填料粒子壳层的电性能和增加粒子团簇的尺寸获得了具有同步高介电常数、高热导率和低介电损耗的复合电介质材料。因此，基于提出的普适极化机理，协同调控填料粒子电性能及粒子族尺寸的策略为设计和制备高介电常数低损耗的聚合物复合电介质的设计和制备提供了理论指导。

美国宾夕法尼亚州立大学Dr. Li和清华大学钟少龙博士参与了本研究工作，本研究获国家自然科学基金资助(51577154, 51073180)。

论文地址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202207829

周文英：

西北工业大学材料学博士，西安交通大学高电压与绝缘技术专业博士后，化学与化工学院教授，博士生导师；化学一级学科高分子化学与物理学科带头人、校级先进电工材料研究中心副主任。科技部、工信部重点研发计划与人才项目评审专家、国家自然基金委项目函评专家、教育部学位中心学位论文评审专家。中国复合材料学会介电高分子材料及应用专委员会委员、导热高分子复合材料专委会委员、矿物复合材料专委员会委员、陕西省化学会理事。国际期刊Nanomaterials Guest Editor, Inter. J. Mater. Sci.及Inter. J. Eng. Sci.期刊编委。入列2022年化学学科全球前2%顶尖科学家榜单。

主要从事面向绿色新能源的捕获、转化及储存材料及器件设计、压电催化、导热高分子、高电压绝缘材料等研究。先后在Adv. Mater., Energy Storage Mater., Nano Energy, ACS Appl. Mater. Interface, Compos Sci. Techn., Appl Phys. Lett., 航空材料学报等国内外专业刊物发表学术论文150余篇，研究论文被SCI检索102篇，相关研究被SCI正面引用3000余次，ESI热点论文1篇，高引论文2篇。出版了国内聚合物导热领域第一本专著：导热高分子材料（国防工业出版社，2014）。主持国家自然科学基金面上及重点项目子项目4项，获国家授权发明专利16项，获陕西省高等学校科学技术一等奖2项、西安市科学技术成果转化与工业化专项奖1项。参与多项航天航空、国防军工及武器预研项目，以及企业合作开发课题研究，导热覆铜板技术成果已投入工业应用。

供稿单位：西安科技大学