纳米填料取向增强电热效应：P(VDF-TrFE-CFE)/Ba0.67Sr0.33TiO3复合材料的案例研究

本研究针对聚合物/无机铁电复合材料电热效应(ECE)提升受限的问题，通过调控Ba0.67Sr0.33TiO3(BST67)纳米填料的纵横比、复合比例和取向排列，结合相场模拟和LGD理论计算，揭示了三者协同增强极化强度和ΔT的作用机制。研究发现取向排列的高纵横比BST67填料在15%体积分数下可使ΔT达21.1 K，为高性能固态制冷材料设计提供了新思路。

　　

随着全球对高效环保制冷技术的迫切需求，电热效应(Electrocaloric Effect, ECE)材料因其零温室气体排放、高能量转换效率等优势成为研究热点。然而当前材料体系面临关键瓶颈：无机铁电陶瓷虽具有高自发极化，但击穿场强低；聚合物虽具备优异介电强度，却因极化值不足需极高驱动电场。如何通过材料设计协同提升极化响应与介电稳定性，成为突破ECE性能天花板的核心挑战。

针对这一科学难题，中国科学院的研究团队在《Journal of Materiomics》发表创新成果，以弛豫铁电聚合物P(VDF-TrFE-CFE)为基体，Ba_0.67Sr_0.33TiO₃(BST67)纳米填料为增强相，系统研究了填料几何形态-组成-取向三要素对ECE性能的调控规律。研究通过构建包含界面层的相场模型，结合Landau-Ginzburg-Devonshire(LGD)热力学计算，首次揭示了高纵横比填料取向排列可产生协同增强效应，在100 MV/m电场下实现21.1 K的创纪录ΔT值。

关键技术方法包括：1) 建立二维相场模型模拟BST67/P(VDF-TrFE-CFE)多相体系，设置256×256×1 nm³计算单元；2) 采用时间依赖的Ginzburg-Landau方程描述极化演化；3) 通过傅里叶谱迭代微扰法求解静电泊松方程；4) 基于实验数据设定界面层厚度为填料半径的12%；5) 应用LGD方法计算ΔT和熵变ΔS。

3. 结果与讨论
3.1 结构设计
研究构建了8组不同纵横比(1.515-6.222)的BST67填料模型，通过椭圆几何表征纳米线形貌。如表1所示，当填料体积分数从2.5%增至15%时，取向排列样品(Sample 8)的P_max达0.0741 C/m²，比随机分布样品高0.007 C/m²。

3.2 极化增强机制
电场分布模拟显示(图3)，取向排列的高纵横比填料能产生更强的局部电场。当纵横比>3.3时，15%体积分数下ΔP_max呈现喇叭形增长趋势，证明几何形态与取向的协同效应可突破介电限制。

3.3 ECE性能突破
LGD计算表明(图4)，三要素对ΔT的增强遵循"低浓度弱影响，高浓度强协同"规律。最优样品在15%体积分数、6.222纵横比条件下，ΔT达21.1 K，较纯聚合物提升204%，且ΔS同步增至135.8 kJ·m^-3·K^-1。

4. 结论
该研究建立了"几何形态-组分-取向"三要素调控模型，证明：1) 高纵横比BST67纳米线可降低退极化场；2) 取向排列使局部电场强度提升37%；3) 三要素协同使ECE强度ΔT/ΔE达0.22 K·m/MV。这一发现为开发下一代固态制冷器件提供了材料设计范式，通过简单的结构调控即可实现性能数量级提升。

论文通讯作者Houbing Huang团队指出，该策略可推广至其他铁电复合材料体系，未来通过精确控制填料取向度与界面化学，有望在更低电场下实现室温巨电热效应。这项工作被审稿人评价为"聚合物基ECE材料设计的里程碑式进展"。