来源 | Advanced Functional Materials

链接 | https://doi.org/10.1002/adfm.202512371 

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背景介绍

电子器件在小型化、集成化和极端环境适应性方面的发展需求，对聚合物介电材料的能量密度和热导率提出了严苛要求。为了提高聚合物介电薄膜的介电和热性能，研究人员通常采用包括多相复合材料、多层结构和分子工程的策略。然而，这些填料的固有功能限制通常妨碍了介电常数和导热率的同时改善。尽管完全有机的复合系统避免了这样的界面问题，它们对聚合物固有的低导热性的改善最小，从而限制了它们的散热能力。因此，由于填料的单一功能性、多层结构中的界面不匹配以及制造工艺的复杂性，使聚合物陶瓷的高介电常数和高热导率的协同优化仍然是一项艰巨的挑战。

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成果掠影

近日，北京化工大学李晓峰教授研究团队通过"异质界面增强-双填料协同"策略，解决了同时提升介电常数与导热系数的难题。采用羟基氮化硼纳米片 (BNNS) 和还原氧化石墨烯 (rGO) 共分散在聚酰亚胺 (PI) 基质中，形成连续网络，促进高效的介电和热传输。羟基化BNNS、rGO与PI间的强氢键作用构筑了稳定界面，而BNNS与rGO的介电常数失配诱发界面极化，使复合材料在1 kHz频率下获得12.6的高介电常数。相互贯穿的BNNS/rGO网络促进声子高效传输，实现13.6 W/(m·K)的优异导热率。超薄BNNS的大横向尺寸有效抑制击穿通道扩展，使击穿强度保持在440 kV/mm的高水平。该复合材料在 150℃下的放电能量密度为 4.6 J/cm³，充放电效率超过 90%，性能优于大多数先进的聚合物介电材料。这项工作克服了聚合物 - 无机纳米复合材料在介电性能和热性能之间的权衡问题，为开发用于先进电子器件的高性能介电薄膜提供了一种极具吸引力的策略。研究成果以“Polymer-Based Dielectric Composite Films with Excellent Dielectric Energy Storage and Thermal Management Capabilities”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊。

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图文导读

图1：a) 比较不同类型介质薄膜的性能缺陷及本工作的优势。T-S代表热稳定性。b) 本工作制备的介质薄膜的热导率，展示了其优异的导热性能。c) 比较各种复合薄膜的热导率值，突出热性能的差异。d) 全面比较不同介质薄膜的热导率和介电性能，展示这两个关键属性之间的平衡。e) 比较各种介质薄膜的储能性能，强调本工作所实现的储能能力的提升。

图2：a) 示意图展示了 BNNS 合成的三步剥离和改性过程。b) 分离的 BNNS 的代表性 SEM 图像（插图：原始 h-BN 的 SEM 图像）。c) BNNS 薄片的 AFM 形貌及其相应的厚度分布（插图）。d) BNNS 纳米片的 TEM 显微照片（插图：显示原子层的高倍 TEM 图像）。e) HRTEM 图像展示了 BNNS 的晶格结构。f) 比较 h-BN 和 BNNS 的 XRD 图案，插图显示了放大的 (002) 衍射峰。g) h-BN 和 BNNS 的 XPS 调查光谱（插图：高分辨率 O 1s 光谱）。BNNS 的 h) B 1s 和 i) N 1s 核心能级的解卷积 XPS 光谱。(j) h-BN 和功能化 BNNS 的 FTIR 光谱比较。 k) h-BN 和 BNNS 分散体在水中的时间相关沉降行为以及相应的廷德尔效应。l) 计算 h-BN 和 BNNS 之间的水分子结合能差异。

图3：a) PI 纳米复合薄膜制备流程图。b) BNNS、rGO 和 PI 的表面静电势分布，以及计算出的组分之间的结合能。c) PI 和 PI 纳米复合薄膜的光学照片。SEM 图像显示 d) PI/rGO/BNNS 复合薄膜的横截面和 e) PI/rGO/BNNS 复合薄膜的表面。f、g) PI/rGO/BNNS 复合薄膜中致密层状结构的横截面 SEM 图像。h) 原始 PI 和 PI/rGO/BNNS 复合薄膜的 FTIR 光谱。i) PI/rGO/BNNS 复合薄膜的拉伸强度和杨氏模量与填料负载的关系。j) 灵活性和稳健性演示：PI/rGO/BNNS 薄膜可承受折叠和 1 公斤的负载。

图4：a) PI 和 PI/BNNS 复合材料在 25°C 下的频率相关介电常数和 b) 介电损耗与 BNNS 填料含量的关系。c) 初始 GO 填料含量对 PI 和 PI/rGO/BNNS 薄膜在 25°C 下介电常数频率依赖性的影响。d) PI/rGO/BNNS 薄膜中增强极化强度和电绝缘性的示意图。e) PI/rGO/BNNS 薄膜在 25°C（1 kHz）下随 GO 填料含量变化的电导率。f) PI/rGO/BNNS 薄膜在 25°C 下随 GO 填料含量增加的频率相关介电损耗。g) 在 150°C 下测量的具有优化填料含量的 PI 和 PI 纳米复合材料的威布尔击穿强度。h) 在 150°C 下施加电场下 PI 和 PI/rGO/BNNS 的电流密度变化。 i）PI/rGO/BNNS 纳米复合材料在 150 °C 下 400 kV mm⁻¹ 电场下的放电能量密度和充放电效率。

图5：a) PI/BNNS 纳米复合材料（1 wt% GO）的热导率与 BNNS 含量的关系。b) 不同 GO 含量的 PI/rGO/BNNS 纳米复合材料（30 wt% BNNS）的热导率。c) 具有不同横向尺寸的 GO 片的 PI-1.25GO-30BNNS 纳米复合材料的热导率。d) 具有不同横向尺寸的 BNNS 的 PI-1.25GO-30BNNS 纳米复合材料的热导率。e) PI 纳米复合薄膜热导率增强的示意图：填料含量和横向尺寸的作用。f) PI/h-BN 和 PI/rGO/BNNS 复合薄膜的二维有限元模型及其在相同热梯度下的表面温度分布。g) 在不同温度下测量的 PI-1.25GO-30BNNS 纳米复合材料的热导率。 h) 分别使用空气、PI 薄膜和 PI-1.25GO-30BNNS 薄膜散热的陶瓷板表面温度-时间曲线。i) 红外热图像比较空气、原始 PI 薄膜和 PI-1.25GO-30BNNS 薄膜的散热情况。