新型耐高溫復(fù)合材料的應(yīng)用

氮化硼是一種用途廣發(fā)的化工添加產(chǎn)品，最早問世于100多年以前，氮化硼不僅其結(jié)構(gòu)而且其性能也與石墨極為相似，且自身潔白，所以俗稱：白石墨。從中國國內(nèi)看,氮化硼發(fā)展突飛猛進(jìn)，1963年開始BN粉末的研究,1966年研制成功，1967年投入生產(chǎn)并應(yīng)用于我國工業(yè)和尖端技術(shù)之中，營口天元化工是國內(nèi)最先從事氮化硼精細(xì)化工研發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)之一。

美國一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(dòng)汽車和航空航天應(yīng)用中的儲(chǔ)能方面有所應(yīng)用，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)。

    這是在電容器用高溫電介質(zhì)實(shí)驗(yàn)室所做的一系列工作的一部分。在此之前的工作，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(shí)到要實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)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(jìng)爭(zhēng)材料，其可使用的溫度正是電動(dòng)汽車和航天動(dòng)力應(yīng)用的需要。圖片來源：賓州州立大學(xué)

    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，”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(gè)關(guān)鍵特性。”

    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，”王說。“我認(rèn)為這將使這項(xiàng)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(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(shí)現(xiàn)充電。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DonaldW.Hamer教授的研究小組研究完成。

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