宾州大学开发出氮化硼纳米片和介电聚合物的复合材料

      宾州大学开发出氮化硼纳米片和介电聚合物的复合材料

      据宾夕法尼亚州立大学的一组研究人员称，一种新型的轻质复合材料可在柔性电子设备、电动汽车和航空航天应用中的储能方面有所应用，在可适应的高温度运行状态，远远高于目前的商用聚合物。这种基于聚合物的超薄材料可以使用已经可在工业中使用相应的技术生产。

      复合材料

      宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系教授QingWang说：“这是我们在电容器用高温电介质实验室所做的一系列工作的一部分。在此之前的工作，我们已经开发了一种氮化硼纳米片和介电聚合物的复合材料，但意识到要实现规模经济还存在尺度的问题。”

      上图所示是一种附有六方氮化硼(HBN)纳米薄膜的聚醚酰亚胺，其性能明显优于相关的竞争材料，其可使用的温度正是电动汽车和航天动力应用的需要。图片来源：宾州州立大学

 

      可扩展性或在商业上相关设备上制造先进材料一直是学术实验室开发的许多新的二维材料所面临的挑战。

      “从软材料的角度来看，2D材料是迷人的，但如何大规模生产它们是一个问题，”Wang说。此外，能够将它们与聚合材料结合起来是未来柔性电子应用和电子设备的一个关键特性。”

      为了解决这个问题，实验室与宾夕法尼亚州立大学的一个小组合作，进行二维晶体的相关研究。

      “这项工作是在一次和研究生的谈话中确立的，研究生是AminAzizi，Wang的研究生MatthewGadinski，”NasimAlem说，他是宾州大学材料科学与工程，二维材料中心的一名助理教授。“这是^个强大的实验，其中软聚合物材料结合硬2D晶体材料一起来创建一个功能性的介电设备。”

      Azizi现在是加利福尼亚大学的博士后研究员，而Gadinski现在在陶氏化学公司的高级工程师，它们开发了一种技术，能够利用化学气相沉积使多层六方氮化硼纳米晶薄膜和薄膜转移到聚醚酰亚胺(PEI)膜两侧。他们用压力把三层三明治结构材料粘合在一起。研究人员感到惊讶的是，仅仅是压力，没有任何化学键，就足以使一个独立的薄膜强大到足以在高通量滚装过程中加以制造。

      这一结果发表在最近一期的《先进材料》杂志上，该论文名为“高性能聚合物，夹有化学气相沉积的六方氮化硼作为可扩展的高温介电材料”。

      六方氮化硼是一种具有高机械强度的宽带隙材料。它的宽带隙使它成为良好的绝缘体，保护PEI薄膜在高温下不发生介质击穿，这也是其他聚合物电容器失效的原因。在超过176华氏度的工作温度下，目前^的商用聚合物就开始失去效率，但六方氮化硼包覆PEI可以在392华氏度下高效率地工作。即使在高温下，涂层PEI在55000次充放电循环中仍保持稳定。

      “从理论上讲，所有这些聚合物表现出的高性能，都具有很高的商业价值，可涂覆一层硼材料阻止电荷注入，”王说。“我认为这将使这项技术在未来商业化中可行。”

      Alem说，“利用二维晶体制作的设备在实验室中很多，但缺陷使他们存在制造问题。有一个大的带隙材料，如氮化硼，它做得很好，尽管小的微观结构的功能可能并不理想。

      ^性原理计算确定了电子屏障，在PEI/六方氮化硼的结构和界面的金属电极应用于结构提供的电流明显高于典型的金属电极的介电聚合物的接触形式，使它更难利用电极注入实现充电。这项工作是由宾州大学材料科学与工程的Long-QingChen教授和DonaldW.Hamer教授的研究小组研究完成。