编者按
21世纪以来，我国经济社会持续快速发展，电力和电气化需求进入高速增长期，这使介电材料前所未有地成为世界舞台上的焦点。介电材料是电容器、电力电子、微电子、嵌入式集成电路、电缆和发电机等的关键组成部分。其中，纳米电介质属于一类“具有纳米结构的多组分电介质材料”，自 1994年 Lewis 教授首次提出纳米电介质理论以来，在三十年的时间里发展迅猛且被誉为“未来的绝缘材料”。纳米介电工程的出现，推动了电工绝缘与微 (光)电子器件绝缘材料的创新性发展。具有先进介电功能的纳米电介质材料的开发是驱动国家能源战略实施、维护电网系统运行及国家安全的重中之重。
当下，器件的微型化、集成化极大地带动了以集成电路为代表的微电子制造业的发展。但是，器件的高集成度必然伴随着高的功耗和发热，导致电介质材料出现严重变形、老化、损伤、碳化，极大地破坏电工装备及封装等的稳定性和可靠性。此外，高场下绝缘系统中空间电荷的积聚会引起局部电场畸变，加快绝缘老化甚至造成电击穿，产生严重的电气事故。而纳米电介质介于宏观和微观之间界面区域的电介质行为，具有独特的时空多层次结构和优良的性质，在提高设备效能、缩小部件尺寸、节约能源和材料等方面效果显著。对于一些特定的领域，如特高压输电、高性能电机中的主绝缘材料、薄膜电容器中的储能材料、微电子行业中的低介电材料、电子设备中的导热材料，必须利用纳米电介质才能达到所需的性能指标。因此，为满足微电子、电力电气行业快速发展的需求，研究在多物理场下具有优异电-热输运特性的纳米电介质材料具有重要意义。
近年来，基于量子/尺寸效应、密度泛函、有限元模拟等理论方法，辅以新材料设计理念，科研人员通过研究纳米电介质的微观特殊结构、独特的表面化学和宏观界面工程逐步实现了对纳米电介质的电老化性能、短期击穿增强、介电、储能、导热等电-热特性的协同优化和提高。然而，目前关于纳米电介质材料电热特性的综合调控仍处于开发的初级阶段，纳米电介质的智能化转型与多功能化发展速度也相对迟缓。
为进一步提升纳米电介质研究领域的影响力，推动本领域专家学者的沟通与交流，《物理学报》组织出版“纳米电介质电-热特性”专题，重点关注纳米电介质电-热特性调控，从理论分析、材料设计及计算学等多角度介绍本领域的最新研究进展和未来发展趋势。鉴于纳米电介质电-热特性涉及物理、材料、电气等多学科的交叉，研究方向丰富，本专题只能重点介绍其中的部分研究成果，包括：纳米电介质物化特性，纳米电介质界面与表面，组成、结构与性能，纳米电介质智能化与多功能化(高/低介电、导热绝缘等)，电介质测试、计算与模拟，纳米电介质材料应用等，与读者和同行共享。
客座编辑
查俊伟
北京科技大学教授，博士生导师，国家优青，IET Fellow，IEEE高级会员。长期从事电介质储能材料、绝缘导热、智能柔性电工材料及长寿命可靠性等领域研究，已在 Advanced Materials ， Advanced Functional Materials ， Chemical Reviews 等国际知名期刊发表论文200篇， 他引8500余次； 授权国家发明专利17项； 主编/合著英文书籍5部。 现担任中国复合材料学会理事/介电高分子复合材料与应用专委会秘书长、中国电工技术学会储能 系统与装备专委会副主任/工程电介质专委会委员等。
专题文章
纳米电介质电-热特性专题编者按
物理学报. 2024, 73 (2): 020101.
doi: 10.7498/aps.73.020101
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研究论文
纳米氧化锌改性纤维素绝缘纸力学和热学性能的分子动力学模拟
张钰业，张镱议，韦文厂，苏至诚，兰丹泉，罗世豪
物理学报. 2024, 73 (12): 127701.
doi: 10.7498/aps.73.20240208
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摘要： 随着电力负荷激增和电压水平不断提高，绝缘纸的力学性能和热稳定性面临着严峻挑战。然而，由于缺乏直接的科学理论或模拟指导，传统低效的“试错性”试验难以快速高效地研发新型纤维素复合绝缘纸。针对这一问题，本文提出通过分子动力学模拟，研究纳米氧化锌(nano-ZnO)对纤维素的力学和热学性能的提升效果。首先设计了nano-ZnO/纤维素复合材料模型，然后从微观角度分析了不同nano-ZnO含量的改性纤维素的力学性能和热稳定性，从而确定nano-ZnO和纤维素的最佳配比。结果表明，相比于未改性模型，nano-ZnO改性纤维素模型的力学性能、内聚能密度、玻璃化转变温度和导热系数均有提升，弹性模量最高提升了45.31%，导热系数最高提升了41.49%。因为nano-ZnO的加入能够有效填充纤维网络中的空隙，并增强纤维素链之间的作用力和导热通道，从而提升纤维素的热力学性能。本工作为可快速制备出具有优良热力学性能的改性纤维素绝缘纸提供有价值的理论参考。界面电子结构对核壳量子点/聚乙烯纳米复合绝缘电导与空间电荷特性的影响
王赫宇，李忠磊，杜伯学
物理学报. 2024, 73 (12): 127702.
doi: 10.7498/aps.73.20232041
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摘要： 为研究核壳量子点的界面电子结构对聚乙烯绝缘电导与空间电荷特性的影响，分别制备了CdSe@ZnS/LDPE，ZnSe@ZnS/LDPE两种核壳量子点纳米复合绝缘，研究了复合绝缘的直流电导和空间电荷的演变规律，并分析了核壳量子点的界面电子结构对电荷陷阱分布特性的影响机理。研究发现，相比于LDPE绝缘，ZnSe@ZnS/LDPE复合绝缘在高温强场条件下直流电导率可降低47.2%，空间电荷积累量降低了40.3%，且陷阱能级增大，表现出对载流子更强的捕获作用。基于密度泛函理论，计算了核壳量子点与聚乙烯绝缘的能带特征。结果表明，核壳纳米量子点的核层-壳层界面、壳层-绝缘界面的能带偏移导致导带底与价带顶发生突变，分别对电子和空穴具有限域作用，且限域效应随着量子点核层与壳层带隙差异增大而逐渐增强，从而限制高温强场下载流子迁移、抑制空间电荷积聚。
表面氟化聚苯乙烯纳米微球提升环氧树脂绝缘特性
阴凯，郭其阳，张添胤，李静，陈向荣
物理学报. 2024, 73 (12): 127703.
doi: 10.7498/aps.73.20240215
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摘要： 环氧树脂纳米复合材料在电气绝缘领域应用广泛，通过引入纳米介质实现复合材料介电、绝缘性能的调控以满足特殊应用需求。本文通过五氟苯乙烯与苯乙烯的共聚，制备了表面氟化的聚苯乙烯纳米微球，并以其为填料制备了环氧树脂复合材料。以纯环氧树脂和填充聚苯乙烯纳米微球环氧复合材料作为参照，研究了三种复合材料的直流电导率、介电特性、交直流击穿场强、空间电荷行为并计算了材料内部的陷阱能级。结果表明: 填充氟化聚苯乙烯纳米微球的环氧树脂复合材料表现出优异的电学特性，其电导率以及介电常数大幅下降、同时交直流击穿场强获得提高。相比填充无氟聚苯乙烯纳米微球的环氧树脂，氟化聚苯乙烯纳米微球的引入可降低材料的介电损耗，限制空间电荷的注入，并加深基体中的陷阱能级。研究结果可为环氧树脂复合材料介电性能调控设计以及环氧树脂在电子封装应用提供指导。
电缆附件用硅橡胶力-热老化特性及电-热-力多物理场耦合仿真研究
李国倡，郭孔英，张家豪，孙维鑫，朱远惟，李盛涛，魏艳慧
物理学报. 2024, 73 (7): 070701.
doi: 10.7498/aps.73.20231869
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摘要： 长期运行过程中，高温及界面压力作用会导致电缆附件硅橡胶(silicon rubber，SIR)绝缘发生老化，影响附件材料的电-热-力综合性能，易引发放电故障。该文采用实验和仿真结合的方法，研究力-热联合老化作用下硅橡胶材料的电-热-力综合性能变化规律；进一步仿真研究了SIR材料参数变化引起的电缆附件电场、热场和力场变化。实验结果表明，随着老化程度的不断加深，SIR的交联程度和分子运动体系会发生变化，导致材料的电-热-力性能发生不同程度的改变。相对介电常数呈现先下降后上升的趋势，体积电阻率、击穿场强和闪络电压等均呈现先上升后下降的趋势；此外，随着老化时间的延长，材料拉伸强度和断裂伸长率逐渐下降。仿真结果表明，力-热联合老化引起的电缆附件应力锥根部电场强度变化较小，维持在2.2 kV/mm左右；不同老化程度下绝缘层内外侧温差较为明显，最大温度梯度为9.15 ℃；应力锥根部界面压力从0.263 MPa下降到0.230 MPa，下降约12.5%。该工作对于配电电缆附件绝缘性能评价和故障分析具有指导意义。
聚醚酰亚胺纳米复合电介质中指数分布陷阱电荷跳跃输运对储能性能的影响
宋小凡，闵道敏，高梓巍，王泊心，郝予涛，高景晖，钟力生
物理学报. 2024, 73 (2): 027301.
doi: 10.7498/aps.73.20230556
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摘要： 目前常见聚合物电介质电容器的储能性能在高温下会急剧劣化，难以满足航空航天和能源等领域的需求。为提高介质高温储能性能，常掺杂纳米填料对电介质改性，通过改变电介质内部陷阱参数来调控电荷输运过程，但其内部陷阱的能级和密度与储能性能间的定量关系仍需进一步研究。本文构建线性聚合物纳米复合电介质中指数分布陷阱电荷跳跃输运的储能与释能模型并进行了仿真。纯聚醚酰亚胺在150 ℃的体积电阻率和电位移矢量-电场强度回线的仿真结果与实验符合，证明了模型的有效性。不同陷阱参数纳米复合电介质的仿真结果表明，增大总陷阱密度和最深陷阱能级，会降低载流子迁移率、电流密度和电导损耗，提升放电能量密度和充放电效率。在150 ℃和550 kV/mm外施场强下，1.0 eV最深陷阱能级和1×10
27 m
–3 总陷阱密度的纳米复合电介质放电能量密度和充放电效率分别为4.26 J/cm
3 和98.93%，相比纯聚醚酰亚胺提升率分别为91.09%和227.58%，显著提升了高温储能性能。本研究为耐高温高储能性能电容器的研发提供了理论和模型支撑。
氮化硼纳米管表面结构设计及其对环氧复合电介质性能调控机理
任俊文，姜国庆，陈志杰，魏华超，赵莉华，贾申利
物理学报. 2024, 73 (2): 027703.
doi: 10.7498/aps.73.20230708
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摘要： 向环氧树脂基体中加入纳米填料是实现其多功能化的常用手段，其中拥有一维纳米结构的氮化硼纳米管 (BNNTs)，因具有超高导热系数、宽能级带隙、高长径比、高力学强度而备受关注。然而，表面惰性、易团聚、与环氧树脂之间界面作用弱等缺点极大地制约了BNNTs进一步应用。基于此，本文提出采用表面包覆介孔二氧化硅 (mSiO
2 )，并接枝硅烷偶联剂功能分子的方法，优化BNNTs表面特性。结果表明，通过表面结构设计及功能化，可显著改善BNNTs的分散特性，提升其与环氧树脂的界面作用。以此所制备的环氧复合电介质可实现力学韧性和导热系数的同步提升，并兼具较低的介电常数与损耗。此外，mSiO
2 独特的纳米介孔结构赋予复合电介质大量的深陷阱，有效阻碍了电子的迁移，进而提高复合电介质的电气强度。本文为环氧树脂的多功能化提供了新思路，亦对揭示纳米填料表面特性-复合电介质微观结构-宏观性能之间的关联关系提供了一定实验数据支撑。
限域相变对热致变色环氧绝缘材料介电松弛特性的影响
高建，李建英
物理学报. 2023, 72 (10): 107701.
doi: 10.7498/aps.72.20230253
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摘要： 本文研究了热致变色微胶囊环氧绝缘材料的介电松弛特性及机理。结果表明，热致变色微胶囊环氧绝缘材料表现出非单调介电松弛特性，即在58—66 ℃温度范围内，介电松弛时间随温度升高而逐渐延长，无法通过传统的Arrhenius或Vogel-Fulcher-Tammann方程进行描述。分析认为，该非单调介电松弛特性主要源于微胶囊内限域相变引发的自由体积变化。随着温度的升高，微胶囊有限空间内发生固-液相变，使得微胶囊内的自由体积逐渐减小，限制了偶极子随外电场的定向过程，导致介电松弛时间逐渐延长。采用限域介电松弛模型拟合了热致变色环氧试样的非单调介电松弛特性，并得到了介电松弛活化能。不同微胶囊含量的热致变色试样的介电松弛活化能均处于相同的数量级，表明其非单调介电松弛过程均发生于热致变色微胶囊内，验证了限域相变对非单调介电松弛特性的作用。
综 述
三明治结构柔性储能电介质材料研究进展
李雨凡，薛文清，李玉超，战艳虎，谢倩，李艳凯，查俊伟
物理学报. 2024, 73 (2): 027702.
doi: 10.7498/aps.73.20230614
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摘要： 聚合物电介质材料因其高功率密度、耐击穿、安全柔韧、易加工和自愈性等特点，被广泛应用于智能电网、新能源汽车、航空航天、国防科技等领域。其中，基于三明治结构设计获得具有更高储能密度和储能效率的柔性电介质材料成为近年来聚合物储能电介质领域的研究热点和常用策略。本文从电介质的材料构成、结构设计以及制备方法等角度综述了基于三明治结构聚合物电介质薄膜在储能密度提升方面的研究进展，阐述了三明治结构电介质材料性能调控的微观机制和协同增强机理，并展望了其发展趋势和应用前景。
面向高性能摩擦纳米发电机的电介质材料
邓浩程，李祎，田双双，张晓星，肖淞
物理学报. 2024, 73 (7): 070702.
doi: 10.7498/aps.73.20240150
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摘要： 摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator，TENG)作为微纳电源或自取能传感器近年来在多领域表现出广阔的应用潜力。TENG的输出性能提升与作为摩擦起电层的电介质材料接触起电特性密切相关。本文首先介绍了TENG及其电介质摩擦起电层的相关基础理论和模型；其次，阐述了TENG电介质材料的选材、改性(表面改性、体改性)和结构设计策略，其中表面改性和体改性涉及表面粗糙度控制、官能团调控、电介质材料介电参数优化，在电介质的结构设计方面，重点介绍了电荷传输层、捕获层、阻挡层的原理及通过多层结构来提高TENG介电性能的典型方法；最后，强调了本领域发展面临的挑战和未来发展趋势，为面向高性能TENG的纳米电介质材料开发提供参考。
电缆绝缘材料交联聚乙烯的老化及寿命调控
王江琼，李维康，张文业，万宝全，查俊伟
物理学报. 2024, 73 (7): 078801.
doi: 10.7498/aps.73.20240201
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摘要： 交联聚乙烯(cross-linked polyethylene，XLPE)因其优异的力学性能和绝缘性能广泛应用于电力电缆领域中，但在高压电缆的运行过程中XLPE不可避免会受到电老化、热老化和电-热联合老化的影响，使得材料的性能和寿命下降，因此需要对XLPE的老化性能和使用寿命进行调控。本文介绍了XLPE的结构特性和交联机理，系统分析了其老化过程及影响机制，并概述了接枝、共混和纳米粒子改性等调控策略，同时基于寿命评估模型探究了XLPE因老化而导致的寿命衰减问题。最后，展望了调控XLPE电缆绝缘材料使用寿命策略的未来方向，为XLPE电缆绝缘材料的进一步改进和长期稳定运行提供理论指导。
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