新型高性能绝缘材料助力未来科技

Plasma-Modified Boron Nitride Nanosheets for High-Performance Aramid-Based Dielectric Films with Enhanced Multifunctionality

作者：Zi Wang, Chao Bian, Jia-Cheng Zhang, Meng Gao,Ying-Ying Tong, Jun-Xue Chen, Lin Zhang, Ran Zhuo, Jun-Wen Ren, Jun-Wei Zha, Shen-Li Jia

DOI: 10.1002/advs.202516944

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芳纶纸因其轻质、高强度及优异的介电稳定性，被广泛应用于电机、变压器及高功率电子器件中。然而，随着设备向高功率密度、紧凑化及高可靠性方向发展，传统芳纶纸固有的低热导率已难以满足高温、高场及高频等多重应力下的散热需求。绝缘系统中热量难以及时耗散将导致局部温升、加速热老化甚至引发热击穿，从而严重威胁设备的长期服役安全。为提升导热性能，研究者通常通过引入高导热纳米填料进行复合改性，如陶瓷、金属及碳基填料等。其中，六方氮化硼纳米片（BNNS）凭借其优异的热导率（约2000 Wm^-1K^-1）、宽带隙及高介电强度，被认为是兼具高导热与高绝缘特性的理想填料。然而，BNNS表面化学惰性和界面结合弱的问题导致填料在聚合物基体中的分散性差、界面热阻大，使其实际导热增强效果远低于理论预期。传统的非共价或化学接枝改性虽可在一定程度上改善界面相容性，但前者稳定性有限，后者工艺复杂且易破坏BNNS本征结构，难以实现高效且可控的界面调控。因此，探索新的填料表面改性机制是保证复合材料兼顾导热、绝缘及力学性能的关键，具有重要的科学研究意义和工程应用价值。

近日，DB彩票 贾申利教授团队与合作者创新地采用等离子体辅助氨基化（-NH₂）策略制备了表面活化的BNNS-NH₂，并与一维芳纶纳米纤维（ANF）及柔性丝素蛋白（SK）协同组装，构筑仿生复合薄膜。通过控制等离子体放电功率和处理时间，可在保证BNNS晶体结构完整性的前提下引入活性官能团，从而显著增强填料的表面活性与界面结合能力，降低声子散射，提高热传导连续性。此外，仿生结构设计为兼顾高导热与高绝缘性能提供了新的解决思路。借鉴天然贝壳“砖-泥”层状结构，通过构筑密实的三维氢键网络及有序排列的多尺度层状界面，实现了力学强度、热导率及介电性能的协同优化。所得复合薄膜具有卓越的导热性（13.89 Wm^-1K^-1）、优异的抗拉强度（307.08 MPa）、出色的耐热性及超高击穿强度（最高至430 kVmm^-1）和低介电损耗，为满足新一代高功率电子器件在极端工况下的安全可靠运行提供了新的材料方案与理论依据。

图1. (a) BNNS表面接枝氨基基团过程的示意图。(b) BNNS的TEM图像（插图：BNNS悬浮液的数字图像）。(c) BNNS-NH₂的XPS图谱分析。(d) ANF的TEM图像（插图：ANF悬浮液的数字图像）。(e) ANF的AFM图像。(f) 通过真空辅助过滤制备ANF/SK/BNNS-NH₂复合薄膜的示意图。(g) ANF/SK/BNNS-NH₂复合薄膜微观结构示意图。

图5. ANF/SK/BNNS-NH₂复合薄膜的绝缘性能。(a) 基于纯ANF薄膜与ANF/SK/BNNS-NH₂复合薄膜威布尔分布推导的介电击穿失效概率。(b) ANF/SK/BNNS-NH₂复合薄膜断裂孔的SEM图像及(c)局部放大图。(d) ANF/SK/BNNS-NH₂复合薄膜击穿路径示意图。(e) 不同BNNS-NH₂浓度复合薄膜的热自导电（TSDC）曲线及(f)击穿场强与陷阱深度关系曲线，(g) 纯ANF薄膜能带结构模型。(h)适量添加BNNS-NH₂的复合薄膜及(i)过量添加BNNS-NH₂的复合薄膜。

图6. 复合薄膜电击穿的有限元分析。（a-c）分别展示纯ANF、不同BNNS-NH₂浓度复合薄膜中电击穿分支发展的模拟结果。

图7. ANF/SK/BNNS-NH₂复合薄膜的热学特性。（a）采用纯ANF薄膜（顶部）、含40 wt%填料的ANF/BNNS-NH₂复合薄膜（中部）及含40 wt%填料的ANF/SK/BNNS-NH₂复合薄膜（底部）作为散热基板时，工作状态LED芯片的红外热成像图。(b) 对应的温度-时间曲线。(c) 热老化前后NHN纸、ANF/SK/BNNS-NH₂复合薄膜的应力-应变曲线。(d，e)热老化前后ANF/SK/BNNS-NH₂复合薄膜与NHN纸的拉伸强度及特征击穿强度对比。

团队通过构建“刚柔并济”的双聚合物网络并引入等离子体功能化BNNS-NH₂，成功制备了多功能ANF复合薄膜。ANF、SK与BNNS-NH₂之间的协同作用形成了强大的三维氢键网络，赋予复合薄膜出色的拉伸强度（307.08 MPa）、断裂伸长率（18.55%）和韧性（38.00 MJ/m³）。强烈的界面相互作用使BNNS-NH₂的固有导热性和绝缘性能得以充分发挥。有限元模拟表明，界面热阻的显著降低使复合薄膜的导热系数大幅提升（40 wt%时达13.89 Wm^-1K^-1）。致密有序的仿生结构赋予ANF/SK/BNNS-NH₂复合薄膜卓越的热稳定性（Td>520℃，Tg>400℃）、低介电常数与损耗，以及优异的热老化抵抗能力。此外，适量掺入BNNS-NH₂有效增大了陷阱深度，使介电强度达到超高水平（10 wt%达430 kV·mm^-1），与有限元模拟结果一致。这些发现为设计用于先进电气电子领域的高性能聚合物基介电材料提供了理论与实验双重依据。