基于负介电材料的三明治结构叠层电容器

The negative permittivity of materials is usually considered to be the characteristic property of metamaterials. In the previous study, we found the negative permittivity in the conventional metal-ceramics composites followed by well-explained mechanism. At present, metamaterials are in the critical stage of transformation to disruptive applications. There are still many challenges in the field of application and their corresponding material design, preparation and performance tuning. In view of the urgent demand for the power and miniaturization of electronic components, metacapacitor based on negative dielectric material is proposed in the project. We will study the tailoring of heterogeneous composite microstructure toward tuning strategy of negative permittivity based on optimization of metal blocks and preparation of composites; also the preparation of sandwich-structure layered metacapacitor, considering the positive permittivity, negative permittivity and thickness matching of different layers. The structure-propery relationship of dielectric enhancement, loss mechanism and microstructure will be revealed. The project is mainly focused on the tuning of negative permittivity and dielectric enhancement of epsilon negative materials. The project aims at high-power and high frequency capacitors, and has important application prospects in the field of pulsed weapons and electronic components.

负介电被认为是超材料的特有性质。申请者前期研究发现了金属陶瓷这类传统材料的负介电常数等超常物性并探明了相关机理。目前超材料正处于向颠覆性应用转变的关键阶段，在应用领域开拓及其相应的材料设计和制备、性能调控方面还存在很多挑战。本项目针对电子元器件功率化、小型化的迫切需求，提出了基于负介电材料的超材料电容器。主要研究：通过金属功能体优化筛选和复合材料制备构筑，研究异质复合显微结构剪裁、负介电机制，探明负介电材料性能调控策略；基于正介电层和负介电层的介电常数匹配、厚度匹配，研究三明治结构的超材料电容器制备构筑；研究超材料电容器的介电增强、损耗机制与微观结构之间的构效关系。项目以负介电性能调控和负介电增强正介电为主要科学问题，研究特色鲜明，着眼于高功率、高频率电容器，在脉冲武器和电子元器件等领域具有重要应用前景。

负介电被认为是超材料的特有性质，目前超材料正处于向颠覆性应用转变的关键阶段，在应用领域开拓及其相应的材料设计和制备、性能调控方面还存在很多挑战。本项目针对电子元器件功率化、小型化的迫切需求，提出了基于负介电材料的超材料电容器。主要开展了以下研究：通过金属功能体优化筛选和复合材料制备构筑，研究异质复合显微结构剪裁、负介电机制，探明了负介电材料性能调控策略；基于正介电层和负介电层的介电常数匹配、厚度匹配，研究了三明治结构的超材料电容器制备构筑；研究了超材料电容器的介电增强、损耗机制与微观结构之间的构效关系。实验研究了多个组分的超构电容器，其中，PVDF为基体，利用h-BN片作为正介电层的填料以实现高击穿强度，在PVDF中加入导电功能体作为负介电层，结果表明厚度比为15:12的双层复合材料的放电能量密度为22.11 J/m3以及具有0.03@10 kHz的低损耗。本项目以负介电性能调控和负介电增强正介电为主要科学问题，研究特色鲜明，着眼于高功率、高频率电容器，在脉冲武器和电子元器件等领域具有重要应用前景。本项目研究结果发表学术学术论文20余篇，并标注资助。本项目连同前期研究成果，2022年获得教育部自然科学二等奖。本项目产生的原始创新成果，2022年被国家有关部委遴选为颠覆性技术，并列入国家重点科研计划予以支持。