科研动态 | 西北大学花秀夫教授团队在材料领域顶级期刊AFM上发表最新研究成果

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 1.04×10-⁸ A/cm²，较纯 PEN 降低一个数量级）；

总结与展望：

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。