據(jù)賓夕法尼亞州立大學(xué)的一組研究人員稱，一種新型的輕質(zhì)復(fù)合材料可在柔性電子設(shè)備、電動汽車和航空航天應(yīng)用中的儲能方面有所應(yīng)用，在可適應(yīng)的高溫度運行狀態(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)。

賓夕法尼亞州立大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授QingWang說：“這是我們在電容器用高溫電介質(zhì)實驗室所做的一系列工作的一部分。在此之前的工作，我們已經(jīng)開發(fā)了一種氮化硼納米片和介電聚合物的復(fù)合材料，但意識到要實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟還存在尺度的問題。”

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。

可擴展性或在商業(yè)上相關(guān)設(shè)備上制造先進材料一直是學(xué)術(shù)實驗室開發(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)它們是一個問題，”Wang說。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)備的一個關(guān)鍵特性?！?

為了解決這個問題，實驗室與賓夕法尼亞州立大學(xué)的一個小組合作，進行二維晶體的相關(guān)研究。

“這項工作是在一次和研究生的談話中確立的，研究生是AminAzizi，Wang的研究生MatthewGadinski，”NasimAlem說，他是賓州大學(xué)材料科學(xué)與工程，二維材料中心的一名助理教授?！斑@是第一個強大的實驗，其中軟聚合物材料結(jié)合硬2D晶體材料一起來創(chuàng)建一個功能性的介電設(shè)備?！?

Azizi現(xiàn)在是加利福尼亞大學(xué)的博士后研究員，而Gadinski現(xiàn)在在陶氏化學(xué)公司的高級工程師，它們開發(fā)了一種技術(shù)，能夠利用化學(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)。他們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(jié)果發(fā)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(xué)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(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)價值，可涂覆一層硼材料阻止電荷注入，”王說?！拔艺J(rèn)為這將使這項技術(shù)在未來商業(yè)化中可行。”

Alem說，“利用二維晶體制作的設(shè)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(jié)構(gòu)的功能可能并不理想。

第一性原理計算確定了電子屏障，在PEI/六方氮化硼的結(jié)構(gòu)和界面的金屬電極應(yīng)用于結(jié)構(gòu)提供的電流明顯高于典型的金屬電極的介電聚合物的接觸形式，使它更難利用電極注入實現(xiàn)充電。這項工作是由賓州大學(xué)材料科學(xué)與工程的Long-QingChen教授和DonaldW.Hamer教授的研究小組研究完成。