复合绝缘材料介电性能的相场模拟研究进展

郭玉金， 董紫薇， 李庆民， 韩智云， 李志辉

(新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)， 北京 102206)

1 引言

随着电力系统运行电压与容量的进一步提高以及与能源互联网的交叉融合，第三代电网属性对工程电介质的绝缘性能和调控设计提出了更高要求[1-4]。研究多场耦合作用下绝缘材料的劣化过程与损伤机理以及新型电介质的设计合成已成为高电压与绝缘技术学科的重要研究方向。作为新型高性能绝缘材料，纳米复合电介质受到广泛关注。人们针对新型复合电介质的制备、表征和介电性能的提升机制开展了大量工作，特别在击穿性能的改善和机理研究方面，关注了纳米粒子种类[5,6]、表面改性[7,8]和分散性对绝缘特性的影响。复合电介质材料的宏观特性，不仅取决于填料的种类和原子层面的本征属性，还取决于介观尺度下的微观结构，其关键问题在于实现复合电介质的结构调控设计。

随着计算机技术的飞速发展，数值模拟在复合电介质的研究中发挥越来越重要的作用。一方面计算机模拟已成为一种重要的辅助方式来模拟实验中难以原位观测到的局域介电响应，如介电击穿过程；另一方面数值模拟可以取代传统的试错试验，有效指导材料的结构设计，验证材料的有效性和可靠性。

相场模拟(Phase-Field Method，PFM)是计算材料科学分支的重要组成部分，是介观尺度下各类功能材料微观结构模拟与性能预测的有效手段[9]。相较于传统的突变界面模型，相场模拟方法采用了在界面处连续变化而非突变的序参量，避免了实时追踪界面的困难，从而大大简化了求解算法。……