Phase-field modeling and machine learning of electric-thermal-mechanical breakdown of polymer-based dielectrics

材料科学 电介质 介电强度 纳米复合材料 聚合物纳米复合材料 电场 聚合物 工作(物理) 复合材料 机械工程 光电子学 物理 工程类 量子力学
作者
Zhonghui Shen,Jianjun Wang,Jian Yong Jiang,Sharon X. Huang,Yuan Lin,Ce Wen Nan,Lei Chen,Yang Shen
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:10 (1) 被引量:163
标识
DOI:10.1038/s41467-019-09874-8
摘要

Abstract Understanding the breakdown mechanisms of polymer-based dielectrics is critical to achieving high-density energy storage. Here a comprehensive phase-field model is developed to investigate the electric, thermal, and mechanical effects in the breakdown process of polymer-based dielectrics. High-throughput simulations are performed for the P(VDF-HFP)-based nanocomposites filled with nanoparticles of different properties. Machine learning is conducted on the database from the high-throughput simulations to produce an analytical expression for the breakdown strength, which is verified by targeted experimental measurements and can be used to semiquantitatively predict the breakdown strength of the P(VDF-HFP)-based nanocomposites. The present work provides fundamental insights to the breakdown mechanisms of polymer nanocomposite dielectrics and establishes a powerful theoretical framework of materials design for optimizing their breakdown strength and thus maximizing their energy storage by screening suitable nanofillers. It can potentially be extended to optimize the performances of other types of materials such as thermoelectrics and solid electrolytes.
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