新型耐高温复合材料的应用

氮化硼是一种用途广发的化工添加产品，最早问世于100多年以前，氮化硼不仅其结构而且其性能也与石墨极为相似，且自身洁白，所以俗称：白石墨。从中国国内看,氮化硼发展突飞猛进，1963年开始BN粉末的研究,1966年研制成功，1967年投入生产并应用于我国工业和尖端技术之中，营口天元化工是国内最先从事氮化硼精细化工研发生产的企业之一。

美国一宾夕法尼亚州立大学的一组研究人员称，一种新型的轻质复合材料可在柔性电子设备、电动汽车和航空航天应用中的储能方面有所应用，在可适应的高温度运行状态，远远高于目前的商用聚合物。这种基于聚合物的超薄材料可以使用已经可在工业中使用相应的技术生产。

    这是在电容器用高温电介质实验室所做的一系列工作的一部分。在此之前的工作，已经开发了一种氮化硼纳米片和介电聚合物的复合材料，但意识到要实现规模经济还存在尺度的问题。

    上图所示是一种附有六方氮化硼(HBN)纳米薄膜的聚醚酰亚胺，其性能明显优于相关的竞争材料，其可使用的温度正是电动汽车和航天动力应用的需要。图片来源：宾州州立大学

    可扩展性或在商业上相关设备上制造先进材料一直是学术实验室开发的许多新的二维材料所面临的挑战。

    “从软材料的角度来看，2D材料是迷人的，但如何大规模生产它们是一个问题，”Wang说。此外，能够将它们与聚合材料结合起来是未来柔性电子应用和电子设备的一个关键特性。”

    六方氮化硼是一种具有高机械强度的宽带隙材料。它的宽带隙使它成为良好的绝缘体，保护PEI薄膜在高温下不发生介质击穿，这也是其他聚合物电容器失效的原因。在超过176华氏度的工作温度下，目前最好的商用聚合物就开始失去效率，但六方氮化硼包覆PEI可以在392华氏度下高效率地工作。即使在高温下，涂层PEI在55000次充放电循环中仍保持稳定。

    “从理论上讲，所有这些聚合物表现出的高性能，都具有很高的商业价值，可涂覆一层硼材料阻止电荷注入，”王说。“我认为这将使这项技术在未来商业化中可行。”

    Alem说，“利用二维晶体制作的设备在实验室中很多，但缺陷使他们存在制造问题。有一个大的带隙材料，如氮化硼，它做得很好，尽管小的微观结构的功能可能并不理想。

    第一性原理计算确定了电子屏障，在PEI/六方氮化硼的结构和界面的金属电极应用于结构提供的电流明显高于典型的金属电极的介电聚合物的接触形式，使它更难利用电极注入实现充电。这项工作是由宾州大学材料科学与工程的Long-QingChen教授和DonaldW.Hamer教授的研究小组研究完成。

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