賓州大學(xué)開發(fā)出氮化硼納米片和介電聚合物的復(fù)合材料
2017-08-04 14:12:16
作者：本網(wǎng)整理 來(lái)源：實(shí)驗(yàn)幫
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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(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)。
賓夕法尼亞州立大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授QingWang說(shuō)：“這是我們?cè)陔娙萜饔酶邷仉娊橘|(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，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(shí)到要實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)還存在尺度的問(wèn)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(lái)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(lái)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(wèn)題，”Wang說(shuō)。此外，能夠?qū)⑺鼈兣c聚合材料結(jié)合起來(lái)是未來(lái)柔性電子應(yīng)用和電子設(shè)備的一個(gè)關(guān)鍵特性。“
為了解決這個(gè)問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)室與賓夕法尼亞州立大學(xué)的一個(gè)小組合作，進(jìn)行二維晶體的相關(guān)研究。
”這項(xiàng)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(shuō)，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。”這是第一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)，其中軟聚合物材料結(jié)合硬2D晶體材料一起來(lái)創(chuàng)建一個(gè)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(jí)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(méi)有任何化學(xué)鍵，就足以使一個(gè)獨(dú)立的薄膜強(qiáng)大到足以在高通量滾裝過(guò)程中加以制造。
這一結(jié)果發(fā)表在最近一期的《先進(jìn)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(kuò)展的高溫介電材料“。
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(guò)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(shuō)。”我認(rèn)為這將使這項(xiàng)技術(shù)在未來(lái)商業(yè)化中可行。“
Alem說(shuō)，”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(wèn)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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