介电、铁电与压电材料是电容器、传感器及能量转换器件的核心功能材料。随着电动汽车、航空航天和柔性电子等新兴应用的发展，材料需同时满足高温、高场及复杂力学条件下的性能要求。然而，传统聚合物电介质高温下传导损耗剧增，铁电/压电材料则面临极化稳定性与疲劳寿命等瓶颈。为此，从分子设计、界面工程到多尺度模拟的协同优化成为突破关键。王健副教授课题组长期聚焦储能电介质与薄膜器件，系统研究介电、压电、铁电及热电性能，并结合第一性原理计算、分子动力学与相场模拟，探索微观结构与宏观性能的内在关联。
在高温介电储能方面（1，2，3），团队从分子电子结构和宏观构型两个层面分别提出抑制高温漏电流的路径：一是“空间构象锁定”策略，利用大位阻交联剂强制苯环扭转以打断π共轭、拓宽带隙，使PI薄膜在150 °C和200 °C下储能密度分别达4.89和2.11 J cm⁻³（η>90%）；二是分子异构工程，发现对位四氟邻苯二甲腈（P-TFPN）异构体因对称性可同步优化链堆积与电子结构，使F-PEI复合薄膜在150 °C下达到6.92 J cm⁻³（~90%）；三是仿生连续梯度设计，在PEI中构建BNNS的面内取向与垂直梯度分布，利用空间渐变陷阱能级均化电场、抑制击穿，150 °C和200 °C下分别实现6.21和3.89 J cm⁻³的储能密度。三种策略分别从“断共轭-调异构-筑梯度”的不同角度，为高温电容储能提供了互补性解决方案。
在铁电聚合物领域（4，5），团队针对极化损耗、低击穿场强与力学脆性之间的耦合矛盾，从两条路径寻求突破：一是将P(VDF-CFE)共聚物通过TrFE单元转化为弛豫铁电体以降低偶极损耗，并引入ZnO@ZnS核壳异质结构筑多级深陷阱抑制传导损耗，在550 MV m⁻¹下获得23.8 J cm⁻³（~80%）；二是仿生“韧带-骨骼”结构，以环氧功能化PVDF为分子韧带、核壳颗粒为骨骼，利用高电场下分子链构象转变耗散应变能、界面捕获载流子的协同机制，在600 MV m⁻¹下实现26.1 J cm⁻³（~90.2%）。两项工作分别从“铁电有序度调控”和“动态应变自适应”角度，为高储能密度铁电材料提供了不同的设计思路。
针对柔性压电传感器（6），团队从分子、纳米到宏观三个层面进行协同调控：分子链选择性加氢刚性化以促进β相形成，Al2O3@BaTiO3核壳颗粒抑制界面极化损耗，并采用电辅助3D打印技术在固化同时施加均匀电场以实现C-F偶极子体相取向。多尺度模拟与原位表征共同揭示了电场均化与应力传递的协同机制。该PVDF基柔性薄膜压电系数达−45.3 pC N⁻¹（约为商用PVDF的4倍），同时保持低介电损耗，响应时间约0.9 ms，为柔性压电传感提供了材料-工艺一体化的设计参考。
上述工作展示了多尺度模拟在介电、铁电与压电材料理性设计中的辅助作用，也体现了从分子设计、界面工程到宏观结构调控的协同优化思路，相关结果可为高温储能、脉冲功率及柔性电子等应用提供实验与理论依据。
课题组链接：//www.x-mol.com/groups/wangjian_nxu
