摘要：近日，西北大学花秀夫教授团队联合清华大学王训教授，在《Advanced Functional Materials》（https://doi.org/10.1002/adfm.202519368）发表重磅研究，提出“相转化 - 热压复合工艺”创新策略，成功解决氮
1内容简介
近日，西北大学花秀夫教授团队联合清华大学王训教授，在《Advanced Functional Materials》（https://doi.org/10.1002/adfm.202519368）发表重磅研究，提出“相转化 - 热压复合工艺”创新策略，成功解决氮化硼纳米片（BNNS）在聚芳醚腈（PEN）基体中的分散难题，制备出兼具高介电常数、高击穿强度与优异循环稳定性的 HPBP-x复合薄膜，为柔性介电储能材料发展提供全新思路。
1、背景介绍：
在新能源储能技术飞速发展的当下，聚合物介电材料因兼具高击穿强度与优异加工性，成为超薄薄膜电容器、脉冲功率设备等领域的核心材料。然而，传统聚合物介电材料普遍面临“介电常数与击穿强度反向耦合”的难题——一方提升往往伴随另一方下降，严重限制了高能量密度储能器件的研发。
2、成果简介：
a、核心痛点：BNNS 分散难题制约性能提升
聚芳醚腈（PEN）作为高性能工程材料，凭借出色的热稳定性、力学性能与成膜性，在介电领域备受关注。但纯 PEN 介电常数较低，难以满足高能量密度需求。
科研人员常通过引入无机填料改善性能，其中 BNNS 因超宽禁带宽度带来的优异绝缘性、热稳定性，成为理想选择——理论上，BNNS 可同时提升复合材料的介电常数与击穿强度。但实际应用中，BNNS 与有机聚合物相容性差，易团聚、难分散，不仅无法发挥性能优势，还可能引入界面缺陷，反而降低材料击穿强度。
传统表面改性方法虽能一定程度改善分散性，但效果有限。如何实现 BNNS 在 PEN 基体中的均匀且定向分布，成为突破性能瓶颈的关键。
b、创新方案：“相转化 + 热压”双工艺实现精准调控
为解决这一难题，团队设计了一套多步骤、高精度的制备体系，核心可概括为“三步法”：
第一步：制备 PEN 接枝改性 BNNS（PEN@BNNS）
改性后的 BNNS 表面引入与 PEN 基体结构相似的聚合物链，大幅提升相容性；
第二步：相转化法构建蜂窝状多孔复合膜（FPBP-x）
通过相转化工艺制备多孔薄膜，PEN@BNNS 因疏水性与 PEN 分子链相互作用，定向分布在多孔膜的骨架中。
第三步：热压成型获得致密复合膜（HPBP-x）
热压过程中，定向分布在骨架中的 PEN@BNNS 进一步形成平行于膜平面的有序分布。
c、性能突破：
介电储能性能跨越式提升
（1）放电能量密度：HPBP-9是纯 PEN的 2.5 倍；
（2）循环稳定性：200kV/mm 电场下循环 10⁴次后，充放电效率仍保持 95% 以上，无明显性能衰减；
（3）热导率：HPBP-9 热导率达是纯 PEN的 3.5 倍，有效解决介电材料散热难题；
团队通过 KPFM、TSDC 测试与 COMSOL 模拟，揭示了 HPBP-x 高性能的核心机理：
电荷陷阱调控：PEN@BNNS在基体中形成规则排列的电荷陷阱，陷阱能级深度达1.91eV，可有效捕获空间电荷，抑制泄漏电流（HPBP-9 泄漏电流密度仅1.04×10-⁸A/cm²，较纯 PEN 降低一个数量级）；
2图文导读
图1. a) Synthetic route for PEN-OH and structure of IPDI. b) Preparation route for PEN@BNNS. c) Fabrication route for HPBP-x.
图2. a) Electrostatic potential energy distribution diagram of BNNS-OH, IPDI, and PEN-OH. b) XRD patterns of h-BN, BNNS-OH, and PEN@BNNS. c) SEM image and (d) AFM image of PEN@BNNS. e) FTIR spectra of BNNS-OH, PEN-OH, and PEN@BNNS. f) XPS spectra of BNNS-OH and PEN@BNNS. g) C1s spectrum of PEN@BNNS. h) TGA curves of h-BN, BNNS-OH, PEN-OH and PEN@BNNS.
图3. a,b) SEM image of FPBP-5; c) Schematic diagram of PEN@BNNS directionally distributed in FPBP-x skeleton. d) SEM image of MXene directionally distributed on the pore wall of PEN-based porous films. e) contact angle at surfaces of FPBP-x. f) Schematic diagram of the improved distribution of PEN@BNNS in HPBP-5. SEM images of HPBP-5 (g) and PBP-5 (h). Physical pictures of HPBP-3 (i1), HPBP-9 (i2), PBP-3 (j1) and PBP-9(j2).
图4. a) Thermal conductivity of FPBP-x, PBP-x, and HPBP-x. Surface temperature (b) and thermal infrared images (c) of PBP-9, FPBP-9, and HPBP-9 on a 90 oC hot stage for different times. Heat transfer evolution for PBP-9 (d1–d4) and HPBP-9 (e1–e4).
图5. Dielectric constant of HPBP-x (a) and PBP-x (b). Dielectric loss of HPBP-x (c) and PBP-x (d). Breakdown strength of HPBP-x (e) and PBP-x (f ). (g) Schematic diagram of electric field breakdown for the PEN-based dielectrics. (h1–h4) Electrical tree evolution for HPBP-9.
图6. Schematic diagram for energy storage of dielectric film with (a) and without (b) an electric field. The schematic of the P-E loop for dielectrics(c). P-E loops of HPBP-x (d) and PBP-x (e). The discharge energy density Ud and efficiency of HPBP-x (f). (g) Cyclic stability and corresponding P-Eloops of HPBP-x at 200 kV mm−1. (h) Comparison of properties of PEN, HPBP-9, and PBP-9. (i) Comparison of energy storage density enhancement ratios of polymer-based nanocomposites. (j) Comparison of energy storage density enhancement ratios of polymer-based nanocomposites prepared via different process routes.
3小结
该研究创新性地将相转化与热压工艺结合，通过调控填料分布破解了聚合物介电材料“介电常数 - 击穿强度”反向耦合的难题，为柔性高能量密度介电储能材料的设计提供了全新范式。
课题组简介或作者简介：
花秀夫，西北大学化工学院教授。入选陕西省三秦英才人才引进计划省级中青年科技创新领军人才，北京市技术经纪人。历任清华大学企合委副秘书长、清华大学科技开发部副主任，浙江清华长三角研究院北京联络部部长，X创新中心主任。中国工业环保促进会标准委员会特聘专家,中国政法大学兼职教授，陕西氢能产业发展有限公司技术顾问，科技部国家重点研发计划、江苏省科技厅、北京市科委专项评审专家等职。
来源：材料分析与应用
来源：石墨烯联盟
