双连续分布的纳米纤维和纳米片有助于制备各向异性纳米复合电介质，从而应用于高能量密度电容器中

《Results in Engineering》：Bicontinuous-Distributed Nanofibers and Nanosheets Facilitate Anisotropic Nanocomposite Dielectrics to High Energy Density Capacitors

聚合物基双连续结构纳米复合材料通过整合高介电常数BST纳米纤维阵列与宽禁带BN纳米片层，同步提升介电常数（33.6）和击穿强度（550 MV/m），实现能量密度18.2 J/cm3，较纯PVDF提升323%。

　　在现代电力系统和电子设备中，高能量密度的电介质材料扮演着至关重要的角色。随着对轻量化和集成化设备的需求日益增长，研究者们不断探索能够同时实现高介电常数（?_r）和高击穿场强（E_b）的新型材料。然而，传统电介质材料往往存在一个固有的矛盾，即在提升介电性能的同时，容易导致击穿场强的下降，从而限制了其在高能量密度储能应用中的潜力。为了解决这一问题，本文提出了一种创新的双连续结构电介质纳米复合材料设计，通过结合高介电常数的Ba_0.6 Sr_0.4 TiO₃（BST）纳米纤维（NF）阵列和定向排列的宽禁带氮化硼纳米片（BNNS），实现了介电常数与击穿场强的协同提升，为高能量密度电介质材料的设计提供了科学依据和技术支持。

BST纳米纤维因其高介电常数和良好的极化性能，在提高复合材料的储能能力方面具有显著优势。然而，其高介电常数通常伴随着较低的击穿场强，使得在高电场下容易发生局部电场畸变和载流子迁移，进而导致电击穿。为了解决这一问题，研究团队引入了BNNS作为第二相填料。BNNS具有较高的宽禁带特性（约6.3 eV）和优异的热导率（约600 W/m·K），在抑制载流子迁移和增强绝缘性能方面表现出色。通过精确的空间设计，BST纳米纤维和BNNS能够在聚合物基体中形成双连续结构，从而实现介电常数与击穿场强的协同增强。

在制备过程中，BST纳米纤维首先通过溶胶-凝胶法与静电纺丝技术相结合进行合成，随后通过表面修饰（如使用溶菌酶）形成核心-壳结构，以提高其与聚合物基体的界面相容性。此外，为了实现纳米纤维的定向排列，研究团队引入了磁性纳米颗粒Fe₃O₄，通过控制其负载量（6 wt%为最佳值），使得BST纳米纤维在聚合物基体中形成垂直排列结构。BNNS则通过定向刮刀技术在聚合物基体中实现均匀分布，形成与BST纳米纤维相辅相成的双连续结构。这种结构不仅提高了材料的极化连续性，还通过形成高比表面积的载流子阻断层，有效抑制了载流子迁移，从而显著提升了材料的击穿场强和介电性能。

实验结果显示，经过优化后的PVDF/mBST NF/BNNS-6复合材料在击穿场强和介电储能密度方面均表现出显著提升。具体而言，其击穿场强达到550 MV/m，比纯PVDF提升了46%；而介电储能密度达到18.2 J/cm³，比纯PVDF提升了323%。这种显著的性能提升归因于双连续结构的协同效应，包括BST纳米纤维的极化增强、BNNS的载流子阻断作用以及两者在空间上的定向排列。此外，该结构在高温条件下也表现出优异的储能性能，这为其在高温环境下的应用提供了重要的科学依据。

为了进一步验证该结构的性能优势，研究团队进行了有限元模拟（FES）分析，模拟了不同复合材料中的电场分布、极化场和漏电流场。结果显示，双连续结构有效抑制了电场畸变，降低了漏电流密度，同时通过载流子陷阱的引入，提高了材料的绝缘性能。模拟结果与实验数据一致，表明该结构在提升介电性能的同时，能够有效防止电击穿的发生。

此外，研究还评估了该复合材料在充放电循环过程中的性能稳定性。实验表明，PVDF/mBST NF/BNNS-6在高温条件下仍能保持较高的击穿场强和储能密度，且其充放电效率也显著优于传统材料。这表明该复合材料不仅在静态性能上表现出色，而且在动态应用中也具有良好的稳定性。同时，BNNS的高热导率有效管理了由充放电过程产生的焦耳热，防止了热不稳定性和电介质热失效的发生。

本文的研究成果为高性能电介质材料的设计和应用提供了新的思路。通过引入双连续结构，研究团队成功克服了传统材料中介电常数与击穿场强之间的矛盾，实现了两者的协同提升。这种新型复合材料不仅在能量密度方面具有显著优势，还在高温和动态充放电条件下表现出良好的稳定性，为未来轻量化和集成化电力电子设备的发展提供了重要的技术支持。研究团队还强调，这种结构的优化设计可以为其他类型的聚合物基电介质材料提供借鉴，推动高能量密度储能技术的进一步发展。