最近，美國賓州州立大學(xué)開發(fā)出一種輕量的氮化硼納米片和介電聚合物新型復(fù)合材料。這種新型的輕質(zhì)復(fù)合材料可應(yīng)用在柔性電子設(shè)備、電動汽車和航空航天應(yīng)用中的儲能方面，在可適應(yīng)的高溫度運(yùn)行狀態(tài)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jīng)可在工業(yè)中使用相應(yīng)的技術(shù)生產(chǎn)。

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(yōu)于相關(guān)的競爭材料，其可使用的溫度正是電動汽車和航天動力應(yīng)用的需要。

可擴(kuò)展性或在商業(yè)上相關(guān)設(shè)備上制造先進(jìn)材料一直是學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的許多新的二維材料所面臨的挑戰(zhàn)。“從軟材料的角度來看，2D材料是迷人的，但如何大規(guī)模生產(chǎn)它們是一個(gè)問題。此外，能夠?qū)⑺鼈兣c聚合材料結(jié)合起來是未來柔性電子應(yīng)用和電子設(shè)備的一個(gè)關(guān)鍵特性。”項(xiàng)目開發(fā)負(fù)責(zé)人，賓州州立大學(xué)的材料科學(xué)和工程教授Qing Wang說。

關(guān)于實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)就是要將柔軟的聚合物材料和堅(jiān)硬的二維晶體材料結(jié)合起來，創(chuàng)造出一種功能化的介電器件。利用化學(xué)氣相沉積使多層六方氮化硼納米晶薄膜和薄膜轉(zhuǎn)移到聚醚酰亞胺(PEI)膜兩側(cè)。用壓力把三層三明治結(jié)構(gòu)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(xué)鍵，就足以使一個(gè)獨(dú)立的薄膜強(qiáng)大到足以在高通量滾裝過程中加以制造。這一結(jié)果發(fā)表在最近一期的《先進(jìn)材料》雜志上，該論文名為“高性能聚合物，夾有化學(xué)氣相沉積的六方氮化硼作為可擴(kuò)展的高溫介電材料”。

六方氮化硼結(jié)構(gòu)

六方氮化硼是一種具有高機(jī)械強(qiáng)度的寬帶隙材料。它的寬帶隙使它成為良好的絕緣體，保護(hù)PEI薄膜在高溫下不發(fā)生介質(zhì)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(huán)中仍保持穩(wěn)定。

“從理論上講，所有這些聚合物表現(xiàn)出的高性能，都具有很高的商業(yè)價(jià)值，可涂覆一層硼材料阻止電荷注入，”Wang說。“我認(rèn)為這將使這項(xiàng)技術(shù)在未來商業(yè)化中可行。”

另一位項(xiàng)目參與人，材料科學(xué)和工程專業(yè)的助理教授Alem補(bǔ)充說，“利用二維晶體制作的設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室中很多，但缺陷使他們存在制造問題。有一個(gè)大的帶隙材料，如氮化硼，它做得很好，盡管小的微觀結(jié)構(gòu)的功能可能并不理想。

第一性原理計(jì)算判定了電子勢壘。電子勢壘位于PEI/六方氮化硼結(jié)構(gòu)和金屬電極的交界處，施加于這種結(jié)構(gòu)傳遞電流。這個(gè)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(xiàng)工作是由賓州大學(xué)材料科學(xué)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(huán)球創(chuàng)新智慧