清華大學&賓夕法尼亞州立大學Adv. Energy Mater. ：極端條件下，柔性高溫納米復合材料中電熱耦合擊穿的相場模型

【引言】

聚合物基電介質由于其高擊穿強度、柔性、易加工性和高度可靠性，是電動汽車、脈沖武器系統和電力電子等眾多應用中具有廣泛應用前景的材料之一，但目前大部分的研究都集中在聚合物納米復合材料的室溫介電性能上。在連續的極端條件下，如混合動力汽車、軍事領域和油氣勘探中的高溫高電場條件下，聚合物基電介質由于電功耗產生的熱量（即焦耳熱）而容易熱降解，進而會導致絕緣失效，其可能是由于溫度升高導致本征擊穿強度降低，或者由于電導率及隨之產生的電功耗增加而導致溫度進一步升高和熱降解。

在先前的工作中，靜電擊穿相場模型的提出（Zhong-Hui Shen, et al. Adv. Mater. 2018, 1704380）被用于模擬聚合物納米復合材料的介電擊穿過程，其結合了相分離能量、梯度能量和電能，但是不包含熱能。因此，各類聚合物納米復合材料的預測擊穿強度和能量密度均對應于室溫。本文在前期模型的基礎上考慮了焦耳熱的貢獻，研究了聚合物納米復合材料擊穿中的熱效應，并構建了微觀結構的數據集合。當相應聚合物納米復合材料薄膜沉積上電極，然后纏繞成實際電容器時，計算得到了相應的有效熱導率、有效導電率和穩態溫度分布。根據模擬結果，分析了增加導熱系數和降低電導率的相對有效性。

【成果簡介】

近日，中國清華大學的沈洋教授和美國賓夕法尼亞州立大學的Long-Qing Chen教授和Jian-Jun Wang博士（通訊作者）等人，研究發現聚合基介電材料因其高密度的儲能特點得到越來越多研究者的關注。但是電容器中的熱效應仍是一個挑戰。本文構建了電熱耦合擊穿的相場模型，有助于理解實際電容器配置中，熱效應對聚合物基電介質的介電性能的影響，例如介電損耗的增加和擊穿強度的降低。盡管提高聚合物納米復合材料的導熱性和降低其電導率可以緩解熱效應，但研究結果表明降低電導率更為有效。這項工作不僅將引起人們對聚合物基電介質中熱效應的關注，而且還會為緩解熱擊穿提供基本指導。相關成果以“Phase-Field Model of Electrothermal Breakdown in Flexible High-Temperature Nanocomposites under Extreme Conditions”為題發表在Advanced Energy Materials上, 第一作者為清華大學材料學院2014級直博生沈忠慧。

【圖文導讀】

圖1 不同溫度下，PI-STO納米復合材料擊穿路徑演化圖

（a）PI-STO納米復合材料示意圖；

（b-d）300K下，PI-STO納米復合材料的擊穿路徑演化示意圖；

（e-g）400K下，PI-STO納米復合材料的擊穿路徑演化示意圖；

（h-j）500K下，PI-STO納米復合材料的擊穿路徑演化示意圖。

圖2 不同溫度下，外加電場與擊穿相體積分數和電流密度的關系圖

（a）不同溫度下，外加電場與擊穿相體積分數的關系圖；

（b）不同溫度下，外加電場與電流密度的關系圖。

圖3擊穿強度和能量與溫度的關系圖

（a）擊穿強度惡化因子和能量密度與溫度的關系圖；

（b）是圖（a）中A點的f_ele^A的局域靜電密度圖；

（c）是圖（a）中A點的f_joule^B的焦耳熱能密度圖；

（d）是圖（a）中B點的f_ele^A的局域靜電密度圖；

（e）是圖（a）中B點的f_joule^B的焦耳熱能密度圖。

圖4 PI-STO納米復合材料的擊穿強度隨溫度的變化的實驗與模擬對比圖

（a）5 %的STO隨機分布的納米顆粒擊穿強度的實驗和模擬數據對比圖；

（b）5%平行STO納米纖維擊穿強度的實驗和模擬對比圖；

（c）10%平行STO納米片擊穿強度的實驗和模擬對比圖；

（d）10%平行h-BN納米片擊穿強度實驗和模擬對比圖。

圖5微觀結構數據集合及其熱導率和電導率的“相圖”

（a）基于納米復合材料中納米填料的長度比（a_x/a_z，a_y/a_z）定義的微觀結構數據集合；

（b）含有10體積％納米纖維的五種典型微觀結構示意圖；

（c）對應于微觀結構集合的有效熱導率κ_z；

（d）對應于微觀結構集合的有效熱導率κ_y；

（e）對應于微觀結構集合的有效電導率σ_z；

（f）對應于微觀結構集合的有效電導率σ_γ。

圖6 纏繞式薄膜容器穩態溫度分布圖

200kV mm^-1外加電場和400K溫度下工作時，電容器穩態溫度分布圖：

（a）納米復合材料薄膜制成的高度為H=40mm，直徑為D=40mm的纏繞式電容器示意圖；

（b）純聚合物S0薄膜電容器；

（c）垂直納米纖維S1薄膜電容器；

（d）垂直納米片S2薄膜電容器；

（e）隨機納米顆粒S3薄膜電容器；

（f）平行納米纖維S4薄膜電容器；

（g）平行納米片S5薄膜電容器。

圖7 不同薄膜電容器的最大溫度、擊穿惡化因子和介電損耗對比圖

（a）薄膜電容器內的最大溫度T_max與熱導率κ_z和電導率σ_z的函數關系圖；

（b）六種情況下，最大溫度T_max（紅色條）、擊穿強度劣化因子β=1-E_b^Tmax/E_b^298K（藍色條）和介電損耗tanδ（黑色條）的性能比較圖。（純PI 薄膜（F1），PI-STO薄膜（PI薄膜填有STO平行納米片，簡稱F2），c-BCB / BNNS 薄膜（c-BCB薄膜填有h-BN平行納米片，簡稱F3）和它們相應的薄膜電容器（分別為C1，C2和C3））

【小結】

本文構建了電熱耦合擊穿的相場模型，可用于定量理解聚合物基電介質介電擊穿中的熱效應。研究發現焦耳熱效應隨溫度呈指數增加，從而加速了擊穿強度的惡化。基于該模型，本文預測了大量常見聚合物基納米復合材料的擊穿強度與溫度的函數關系，且模擬結果與實驗數據很好地吻合。隨后，基于構造的微觀結構數據集合及相應熱效應的模擬中，發現填有平行STO納米片的PI薄膜，當纏繞成電容器時，較之其它微觀結構，具有最好的熱穩定性。隨后，本文模擬了熱導率和導電率對纏繞式薄膜電容器熱穩定性的調控作用，并發現降低電導率較之提高熱導對消解焦耳熱效應更有效。通過對純PI薄膜，PI-STO薄膜，c-BCB/BNNS薄膜及其對應的纏繞式電容器的局部最高溫度、擊穿強度惡化因子和介電損耗的研究，發現電容器中的熱效應不容忽視。這項工作從計算角度解釋了聚合物電介質中的熱效應，并期望能夠引起更多的實驗和理論的努力和嘗試，去緩解熱效應帶來的介電性能的惡化。此外，除了熱擊穿，有可能還有更多其他的擊穿機制耦合在一起。例如，作者計劃將熱-電-擊穿耦合的擊穿機制納入模型中，研究機械參數對介電擊穿過程的影響。

文獻鏈接：Phase-Field Model of Electrothermal Breakdown in Flexible High-Temperature Nanocomposites under Extreme Conditions（Advanced Energy Materials, 2018, DOI: 10.1002/aenm.201800509）。

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