最近，美國賓州州立大學開發出一種輕量的氮化硼納米片和介電聚合物新型復合材料。這種新型的輕質復合材料可應用在柔性電子設備、電動汽車和航空航天應用中的儲能方面，在可適應的高溫度運行狀態，遠遠高于目前的商用聚合物。這種基于聚合物的超薄材料可以使用已經可在工業中使用相應的技術生產。

上圖所示是一種附有六方氮化硼(HBN)納米薄膜的聚醚酰亞胺，其性能明顯優于相關的競爭材料，其可使用的溫度正是電動汽車和航天動力應用的需要。

可擴展性或在商業上相關設備上制造先進材料一直是學術實驗室開發的許多新的二維材料所面臨的挑戰。“從軟材料的角度來看，2D材料是迷人的，但如何大規模生產它們是一個問題。此外，能夠將它們與聚合材料結合起來是未來柔性電子應用和電子設備的一個關鍵特性。”項目開發負責人，賓州州立大學的材料科學和工程教授Qing Wang說。

關于實驗

實驗就是要將柔軟的聚合物材料和堅硬的二維晶體材料結合起來，創造出一種功能化的介電器件。利用化學氣相沉積使多層六方氮化硼納米晶薄膜和薄膜轉移到聚醚酰亞胺(PEI)膜兩側。用壓力把三層三明治結構材料粘合在一起。

研究人員感到驚訝的是，僅僅是壓力，沒有任何化學鍵，就足以使一個獨立的薄膜強大到足以在高通量滾裝過程中加以制造。這一結果發表在最近一期的《先進材料》雜志上，該論文名為“高性能聚合物，夾有化學氣相沉積的六方氮化硼作為可擴展的高溫介電材料”。

六方氮化硼結構

六方氮化硼是一種具有高機械強度的寬帶隙材料。它的寬帶隙使它成為良好的絕緣體，保護PEI薄膜在高溫下不發生介質擊穿，這也是其他聚合物電容器失效的原因。在超過176華氏度的工作溫度下，目前最好的商用聚合物就開始失去效率，但六方氮化硼包覆PEI可以在392華氏度下高效率地工作。即使在高溫下，涂層PEI在55000次充放電循環中仍保持穩定。

“從理論上講，所有這些聚合物表現出的高性能，都具有很高的商業價值，可涂覆一層硼材料阻止電荷注入，”Wang說。“我認為這將使這項技術在未來商業化中可行。”

另一位項目參與人，材料科學和工程專業的助理教授Alem補充說，“利用二維晶體制作的設備在實驗室中很多，但缺陷使他們存在制造問題。有一個大的帶隙材料，如氮化硼，它做得很好，盡管小的微觀結構的功能可能并不理想。

第一性原理計算判定了電子勢壘。電子勢壘位于PEI/六方氮化硼結構和金屬電極的交界處，施加于這種結構傳遞電流。這個電子勢壘顯著高于特殊的金屬電極-介電聚合物的交界處的電子勢壘，使得來自電極的電荷更難注入到薄膜中。這項工作是由賓州大學材料科學與工程的Long-QingChen教授和Donald W.Hamer教授的研究小組研究完成的。

參考來源：環球創新智慧