导读

最近，美国宾州州立大学开发出一种轻量的新型复合材料。它可用于柔性电子设备、电动汽车和航空航天等领域的能量存储。在工作温度条件下，它比目前的商用聚合物，存储能量的效果更好。这种基于聚合物的超薄材料可以通过目前工业中已使用的技术进行生产。

关键字

材料、柔性、能量

背景

宾州州立大学的材料科学和工程教授QingWang说：

“在实验室中，我们已经完成了一些列工作，关于电容的高温介电材料。这项研究是其中的一部分。在此之前，我们已经开发了氮化硼纳米片和介电聚合物的复合材料，但是后来意识到低成本地扩大这种材料的使用，将具有显著问题。”

可扩展性（生产可商用数量的器件中使用的高级材料）已经成为在学术实验室中开发的许多新型二维材料的具有决定性意义的挑战。

Wang说：

“从柔性材料的角度说，二维材料非常吸引人，但是如何进行大规模制造是一个问题。此外，能够将它们与聚合物材料相结合，成为未来柔性电子应用和电子器件的一个关键特性。”

创新

为了解决这个问题，Wang的实验室和宾州州立大学的二维晶体方面的研究小组展开了合作。

材料科学和工程专业的助理教授、宾州州立大学二维和分层材料中心的教员NasimAlem说：

“这项研究是由我的研究生AminAzizi、Wang博士的研究生MatthewGadinski在谈话中所构想。这是首个鲁棒性实验，它将柔软的聚合物材料和坚硬的二维晶体材料结合起来，创造出一种功能化的介电器件。”

Azizi现在是加州大学伯克利分校的博士后研究员，Gadinski是陶氏化学公司的高级工程师，他们一起开发了一项使用化学气相沉积的技术，制造出多层的六方氮化硼纳米晶体薄膜，并且将薄膜转移到聚醚酰亚胺（PEI）薄膜的两边。然后，他们使用压力将薄膜结合到一起，形成一种三明治状的三层结构。

最终的结果让研究人员感到惊喜：只需要压力，而无需任何化学键合，就足以制造出一种独立的薄膜，它强大到可以用高吞吐量的卷到卷制程加工。

研究成果发表于最近的《新材料》杂志，论文标题为《高性能聚合物夹在化学气相沉积的六方氮化硼之间，成为可扩展的高温介电材料》High-performancePolymersSandwichedwithChemicalVaporDepositedHexagonalBoronNitridesasScalableHigh-TemperatureDielectricMaterials.。

技术

六方氮化硼是一种具有高机械强度的宽带隙材料。宽带隙让它成为一个良好的绝缘体，并且能防止PEI薄膜在高温下发生介质击穿，这也是其他聚合物电容失效的原因之一。在工作温度超高华氏度时，目前最佳的商用聚合物开始丧失效率，但是涂有六方氮化硼的PEI可在超过华氏度的条件下高效工作。即使在高温条件下，具有涂层的PEI可在超过55,次充放电循环的测试中保持稳定。

价值

Wang说：

“理论上说，所有这些高性能聚合物非常具有商用价值，它们可以涂有硼纳米片阻止电荷注入。我认为这样将使得该技术具有未来商业化的可行性。”

Alem补充说：

“在实验室级别有许多由二维晶体制成的器件，但是缺陷为它们的生产带来了问题。通过宽带隙材料例如氮化硼，除了微结构上的小特征可能会不理想外，它做得很好。”

第一性原理计算判定了电子势垒。电子势垒位于PEI/六方氮化硼结构和金属电极的交界处，施加于这种结构传递电流。这个电子势垒显著高于特殊的金属电极-介电聚合物的交界处的电子势垒，使得来自电极的电荷更难注入到薄膜中。

参考资料

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