模量超过11GPa！高介电、高导热、耐高温芳香聚酰胺纤维增强的层状复合材料学术资讯

来源：高分子科学前沿

聚合物电介质材料由于其自身具有高的击穿强度、设计多样性、低密度和耐久性，因而在现代电子电气行业应用广泛。然而目前商用聚合物电介质材料仍存在工作温度过低、热稳定性不佳和力学性能不佳等问题。例如双向拉伸的聚丙烯薄膜（BOPP）的工作温度往往低于85 ℃，且材料的熔点，即使用上限温度为160 ℃。此外，商用电介质薄膜的杨氏模量往往低于3 GPa，导热系数低于0.5 W·m-1·K-1，不利于多层卷绕制备电容器以及快速散热。

基于此背景，近日，美国莱斯大学的Pulickel M. Ajayan教授在国际权威刊物《Advanced Functional Materials》上发表了名为“Fiber Reinforced Layered Dielectric Nanocomposite”的论文。Pulickel M. Ajayan其团队报道了一种利用真空力诱导的一维芳香聚酰胺纳米纤维和二维氮化硼纳米片自组装形成的层层密堆积的复合材料。该材料在面内方向构筑了导热网络，在电介质极化过程中产生的焦耳热可快速耗散，当置于高温的环境（200 ℃）中时，材料仍然能稳定工作。介电常数最高可达6.3，介电损耗0.003，导热系数最高可达2.4 W·m-1·K-1，击穿强度高达292 MV·m-1，杨氏模量突破11 GPa，有望应用于高温储能器件中。

如图1所示，作者首先将芳香聚酰胺纳米纤维（PANF）溶液与氮化硼纳米片(BNNS)溶液混合，搅拌后抽滤，利用真空力自组装，可形成层层密堆积的结构，同时材料的力学性能优良，可弯曲折叠。

图1. (a) 制备示意图；(b) PANF的AFM图像以及分散在DMSO中的照片；(c) BNNS的AFM图像以及分散在DMSO中的照片；(d) 由h-BN剥离的BNNS的TEM图像；(e) 稀释后的PANF的TEM图像；(f) PANF缠结BNNS的TEM图像；(g) 材料的照片及其柔韧性；(j) PANF, PANF-BNNS和 h-BN的XRD衍射图；(k) 层层密堆积的断面电镜图；(i) PANF和PANF-BNNS的力学性能.

作者通过理论模拟证实，如图2所示，芳香聚酰胺的链结构与氮化硼的六元环之间通过范德华力产生相互作用，形成层层密堆积，有利于导热能力的提高，同时也有利于介电性能的提高，如图3所示，仅填充10 wt%的氮化硼，材料就具有优异的介电性能，且介电性能在高温下也能维持稳定。

图2. PANF与BNNS间作用力的理论模拟

图3. PANF-BNNS的介电性能

作者将制备得到的PANF-BNNS材料与商用材料进行对比，如图4所示，综合杨氏模量，导热系数，介电常数及电绝缘性，PANF-BNNS具有无可比拟的优势。

图4. PANF-BNNS对比于商用材料的优异性能

来源：Polymer-science 高分子科学前沿

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