新型高温介电材料问世,有图有真相!

文章来源:材料科技在线 点击数:25 发布时间:2017-08-04
由聚合物基导电复合材料制备的柔性导体可作为能量存储装置用于电动汽车和航空航天领域,其能够在远高于现有商业聚合物的工作温度下工作。
新型高温介电材料问世,有图有真相!

六角氮化硼(hBN)纳米片涂覆于PEI表面, 适用于高温环境下的电动车辆和航空航天领域

一名来自宾夕法尼亚州立大学的科学家解释道,由于聚合物具有优异的柔性,由聚合物基导电复合材料制备的柔性导体可作为能量存储装置用于电动汽车和航空航天领域。实验表明,其能够在远高于现有商业聚合物的工作温度下工作。这种基于聚合物的纳米材料可以使用现有工业生产技术来实现。

宾州州立大学材料科学与工程学院的教授王清解释道,“这是我们制备高温电介质电容器等一系列工作的一部分。 在此之前,我们开发了氮化硼纳米片和电介质聚合物的复合材料,但意识到在经济上方面存在重大问题。”

一直以来,商业上的先进制造材料以及下一代器件的可扩展性,都是学术实验室开发新型二维材料所需面临的挑战。

“从柔性材料的角度来看,尽管2D材料很迷人,但如何批量生产却是一个问题。”王先生说道,“此外,将它们与聚合物结合在一起,成为了开发更为灵活的电子器件或设备的关键技术。”

为了解决以上问题,王博士的实验室以及宾州州立大学的研究人员成立专门研究小组共同探讨了二维晶体。

“该设计构思源自于Amin Azizi和王博士的研究生Matthew Gadinski的对话。”材料科学与工程助理教授Nasim Alem—宾夕法尼亚州立大学分层材料二维中心的教授说道, “这是一个了不起的实验,将软质聚合物材料和硬二维结晶材料汇聚在一起就可以制备出新型功能性电介质器件。”

加州大学伯克利分校博士后Azizi和陶氏化学公司的高级工程师Gadinski共同开发了多层六方氮化硼纳米晶体薄膜,工作原理为:首先通过化学气相沉积技术制备聚醚酰亚胺(PEI)膜,并将该薄膜转移到多层六方氮化硼纳米晶体两侧。然后对其增加压力,使膜粘合到晶体的三层夹心结构中。令研究人员惊讶的是,仅靠压力,无需任何化学键合,就足以使独立的薄膜结构更坚韧。研究人员表示,研究成果发表于最近的《新材料》杂志上,文章标题为 《化学气相沉积制备六方氮化硼,成为可扩展的高温介电材料》。

六方氮化硼是具有高机械强度的宽带隙材料。其宽带隙使其成为良好的绝缘体,涂覆在PEI膜上可以避免在高温下被介电击穿,这也是其他聚合物电容器失效的原因。当前最好的商业聚合物在工作温度高于176华氏度下性能发生失效,但是六方氮化硼涂覆的PEI膜仍可以在392华氏度下高效率运行。即使在高温以及超过55,000次充放电循环下,涂覆了六方氮化硼的PEI的性能仍然保持稳定,。

“理论上,所有这些高性能聚合物非常具有商用价值,它们可以涂覆硼纳米片以阻止电荷流入。”王博士说道, “我认为这种技术将促进未来商业化的可行性。”

Alem补充道:“我们可见由二维晶体制成的器件,其结构缺陷为它们的生产带来了问题。但宽带隙材料例如氮化硼,除了尺寸较小可能会难以控制外,其他地方它表现得很好。

宾州州立大学工程科学教授、理论研究组长陈长清以及材料科学与工程教授唐纳德·哈默通过第一原理计算证明,位于PEI/六方氮化硼结构和金属电极的交界处存在电子势垒,施加电流后,电势显著高于特殊金属电极-介电聚合物的交界处的电势,使得电荷更难流入到薄膜中。