量子限域氮化硼量子点与聚酰亚胺复合材料在极低载荷条件下展现出卓越的介电强度、能量密度和热耗散性能

《Advanced Functional Materials》：Quantum-Confined Boron Nitride Quantum Dots–Polyimide Composites Achieve Exceptional Dielectric Strength, Energy Density, and Thermal Dissipation at Ultralow Loading

聚合物介电材料在电容器和脉冲功率设备中具有高潜力，但需平衡介电常数、击穿强度及热管理。本研究通过嵌入0.06wt.%硼氮量子点（BNQDs）到聚酰亚胺（PI），利用量子限域效应、界面极化增强和库仑阻塞效应，使BNQDs/PI薄膜在室温下实现9.57 J·cm?3（能量密度提升90%）和632.0 kV·mm?1的击穿强度，高温下仍保持5.46 J·cm?3和591.9 kV·mm?1，热导率提升121.7%至0.229 W·(m·K)?1，有效缓解热积累并提高循环可靠性。

　　

摘要

聚合物电介质材料在电子设备和脉冲功率器件中具有巨大的潜力，用于电容储能，这得益于它们的柔韧性、低损耗、高电压耐受性和成本效益。然而，平衡介电常数和击穿强度、管理空间电荷积累和热耗散以及保持电气可靠性和长期稳定性仍然是巨大的挑战，尤其是在高功率应用中。在这项研究中，通过将仅0.06 wt.%的氮化硼量子点（BNQDs）嵌入聚酰亚胺（PI）中，利用量子限制效应、增强界面极化以及库仑阻塞效应，同时提升了电介质性能、储能能力、循环稳定性和热耗散能力。所得到的BNQDs/PI电介质薄膜在室温下的储能密度达到了9.57 J·cm^?3（η = 90%），在200 °C时的储能密度为5.46 J·cm^?3（η = 86%），其最大击穿强度分别为632.0 kV·mm^?1和591.9 kV·mm^?1，超过了大多数已报道的PI系统。此外，其热导率相比原始PI提高了121.7%（达到0.229 W·(m·K)^?1），有效缓解了热量积累问题，并通过实验和模拟验证了其循环使用的可靠性。BNQDs作为高效的电子陷阱，这种协同集成解决了关键的电气、热学和可靠性瓶颈，为开发先进的高功率电介质系统提供了一条可行的途径。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。