PDF《自然科学奖 推荐书》

二是由于纳尺度碳系填料表面上活性原子的引入,诱导与聚合物基体优异的界面 相互作用,有利于复合电介质界面极化和偶极子取向极化(图2a),形成大量的有一定排布规律的微电容 结构(图2b),从而大幅提高其介电性能(图2b).该成果解决了在碳纳米管和石墨烯出现之前难以在低填 充浓度下获得高介电常数的国际性难题,同时解决了聚合物复合电介质材料介电常数普遍较低和纳尺度 碳系填料难以分散的关键问题.代表作

2 于2007 年在《Adv. Mater.》期刊发表后,即刻被国际著名期 刊《Materials Today》作为 Research News 进行了亮点报道: 发明了一种显著提高聚合物介电常数

4 的新策略 . (代表作

1、2) 图2. (a) 碳管与(b)石墨烯表面接枝改性示意图,(c) 介电常数与碳管含量关系(插图材料中微电容阵列) (2) 建立了三相复合电介质的介电性能协同调控的理论, 提出了协同调控介电性能的材料组成和显 微结构设计策略,揭示了利用介电相-导电相填料协同调控聚合物实现同步提高材料介电常数和击穿场 强的机理, 刻画了复合电介质组成/结构与宏观性能之间的内在关联.为达到降低导电逾渗型复合电介质 材料的介电损耗和进一步使一维碳纳米管或二维石墨烯在聚合物中实现良好的纳米尺度均匀分散,本项 目提出了通过在聚合物中同时分散介电相和导电相纳米填料的学术观点,充分利用介电相纳米钛酸钡 (BT)颗粒隔离导电相逾渗网络,基于纳尺度填料的空间排斥效应迫使碳管或石墨烯分散均匀,实现显著 抑制纳尺度碳系填料/聚合物复合电介质的介电损耗(图3),并系统研究了三相复合电介质中界面层的物 理特性对复合材料介电性能的影响规律,揭示了颗粒间势垒层形成的微观结构是有效抑制复合材料介电 损耗的物理机制.本项目在国际上率先提出了高介电低损耗聚合物基三相复合电介质材料普适体系的理 论框架,实现了聚合物基三相复合电介质材料介电常数与介电损耗的协同调控,为设计并获得具有优异 介电性能的多种组成聚合物基三相复合电介质材料提供理论指导.(代表作

3 和专利 1) 图3. (a) (BT-碳管)/聚合物与(b) (BT-石墨烯)/聚合物三相复合材料形成过程示意图,(c) (BT-碳管)/聚合物 三相复合材料介电常数和介电损耗与 BT 含量关系 该发现点所发展的理论和策略是研究纳尺度碳系填料/聚合物复合电介质材料介电特性协同调控的 重要成果,奠定了利用纳尺度碳系填料调控聚合物复合电介质材料介电性能的新策略,已被国内外同行 广泛采用, 例如美国宾州州立大学 Q. M. Zhang 教授和 Q. Wang 教授、 美国西北大学 T. J. Marks 教授(三 院院士)、斯坦福大学鲍哲南教授(院士)、日本东京电气通讯大学 J. Nakamura 教授等均采用了本项目发 展的理论与策略.本发现点的相关成果在《Adv. Mater.》 、 《J. Mater. Chem. A》 、 《ACS Appl. Mater. Interfaces》等期刊发表 SCI 论文

30 余篇,SCI 他引

900 余次.鉴于申请人的上述成果,材料领域著名 期刊《Prog. Mater. Sci.》主编邀请申请人等撰写了高介电常数聚合物复合材料的综述(代表作 4),该论 文已被 SCI 刊物引用

729 次,其中他引

618 次,在该刊自

2012 年至今所有

268 篇综述论文中被引频次 排名第四,并入选 ESI 高被引论文.此外,项目所发展的储能复合电介质材料理论与方法详细介绍于申 请人英文专著《Dielectric polymer materials for high-density energy storage》(作者:Zhi-Min Dang, Elsevier 出版社).