1 电介质材料

1、J. Mater. Chem. C：构建柔性一维核壳结构Al2O3@NaNbO3纳米线/聚对苯撑苯并双恶唑纳米复合材料实现超宽温度范围内稳定和增强的介电性能

具有高温弹性的聚合物电介质材料对开发先进的静电电容器具有重要意义。聚对苯撑苯并双恶唑（PBO）是一种具有优异热稳定性的聚合物。然而，其较差的加工性能和低本征介电常数限制了其在高性能电介质中的应用。

最近，华东理工大学的研究人员采用前驱体法合成了PBO，通过溶液浇铸法制备得到聚合物薄膜。这种制备方法通过设计具有多级结构的一维Al2O3@NaNbO3并将其引入PBO基体，因其高长宽比和独特的结构，使得纳米复合材料的介电性能和击穿强度显著提高，且比传统加工方法更为方便。填充3 vol% Al2O3@NaNbO3的纳米复合材料具有286 kV/mm的最高击穿强度，同时在1 kHz下保持6.68的高介电常数和0.035的低介电损耗，在250 kV/mm时，能量密度高达1.64 J/cm3（约比纯PBO高200%）。此外，3 vol% Al2O3@NaNbO3-PBO在25-250℃温度范围内的介电性能表现出优异的热稳定性，这归因于PBO和Al2O3@NaNbO3的耐热性。这项工作为制备在极端环境下使用的聚合物电介质材料提供了一种有前景的方法。相关研究以“Construction of flexible 1D core-shell Al2O3@NaNbO3 nanowires/poly-(p-phenylene benzobisoxazole) nanocomposite with stable and enhanced dielectric properties in an ultra-wide temperature range”发表于J. Mater. Chem. C上。

图1. （a、b）击穿强度的Weibull分布；（c）不同填料含量下的击穿强度对比；（d）内电场分布

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https://doi.org/10.1039/D1TC05139C

2、IEEE Trans. Comp. Pack. Man. Tech.：液晶高分子材料的宽频毫米波介电性能

液晶聚合物（Liquid crystal polymers，LCP）是一类热塑性聚合物，广泛应用于工作频率高达77 GHz的封装射频（rf）、微波和低毫米波（mm）集成电路。由于其相对较低的成本和良好的电气、热和机械性能，LCP作为在高毫米波频率（约100-300 GHz）下运行的先进电路封装材料引起了大家的兴趣。要在这些频率下使用LCP，需要对宽频范围内材料的介电性能有定量的了解。

最近，美国得克萨斯大学达拉斯分校的研究人员对目前用于射频/微波电路封装的六种商用LCP材料的介电常数Dk和损耗因子Df进行了无损测量。使用140-220 GHz相敏传输进行的测量显示，Dk值在2.0至4.5之间，四种材料基本上不色散，但有两种材料在该频段出现明显的色散。Df值在0.01到0.06之间，大大高于射频/微波频率下许多LCP材料的报道值。这些研究结果有助于精确模拟封装毫米波电路的性能。相关研究内容以“Broadband Millimeter-Wave Dielectric Properties of Liquid Crystal Polymer Materials”发表于IEEE Trans. Comp. Pack. Man. Tech.上。

图2.六种材料的Dk值和Df值随频率的变化

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DOI: 10.1109/TCPMT.2021.3131921

2 热管理材料

1、Adv. Mater.：金属/铁电界面上的巨热输运调控

界面热输运在纳米物体的热管理中起着重要作用，对基础研究和纳米器件亦具有重要意义。在常见于电子器件结构的金属/绝缘体界面中，热传输强烈地依赖于从金属中热电子到绝缘体中声子的有效能量传递。然而，金属/绝缘体界面处的界面电子-声子耦合和热输运机制尚不清楚。

近期，南京大学的研究人员报道了Al/BiFeO3薄膜中金属/铁电界面处界面热阻的显著增强和表面电荷的重要作用。通过施加单轴应变，界面热阻可以发生显著变化（高达一个数量级），这是由于极化旋转引起的界面电荷重分布导致的重整化界面电子-声子耦合。结果表明，金属/绝缘体界面上的表面电荷可以显著增强界面电子-声子介导的热耦合，这为优化下一代纳米器件、功率电子和热逻辑器件的热传输性能提供了新的途径。该研究成果以“Giant Thermal Transport Tuning at a Metal/Ferroelectric Interface”发表于Adv. Mater.上。

图3.热阻对铁电极化方向的强烈依赖性

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https://doi.org/10.1002/adma.202105778

2、Composites Part B：一种连接静电纺丝纤维以提高氮化硼/聚合物复合薄膜热导率的静电纺丝-静电喷涂技术

由于填料的线性取向和加工简便性，静电纺丝（Electrospinning）有时被用于制备面向热管理的填料/聚合物复合材料。然而，电纺纤维内部的填料-聚合物热阻以及电纺纤维之间缺乏有效连接影响了电纺薄膜的填料利用效率。

最近，南京大学的研究人员提出一种静电纺丝-静电喷涂技术，可用于制备填料-聚合物复合材料，其中静电纺丝提供主要的热传导路径，而静电喷涂用于连接静电纺丝纤维并构建额外的热传导路径。最后，制备得到一种热导率为24.98 W/(m·K)的静电纺丝-静电喷涂复合薄膜，其中氮化硼纳米片（BNNS）含量为40 wt%。含有30 wt% BNNS的静电纺丝-静电喷涂样品的热导率是静电纺丝薄膜的1.7倍。该研究首次使用静电纺丝-静电喷涂方法制备高导热复合材料，并展示了此类材料在热管理领域的巨大应用潜力。相关研究工作以“An electrospinning-electrospraying technique for connecting electrospun fibers to enhance the thermal conductivity of boron nitride/polymer composite films”发表于Composites Part B上。

图4. PAN与BNNS/PAN复合薄膜的散热应用

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https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109505

3 热电材料

1、ACS Appl. Mater. Interfaces：通过织构和密集位错网络提高Bi0.5Sb1.5Te3的热电性能和机械性能

Bi2Te3基材料是几乎所有室温应用的主要热电材料。为了满足可靠微冷却等领域的应用需求，它们的热电性能和机械性能都需要进一步提高。传统的区域熔炼和粉末冶金方法在制备Bi2Te3基合金方面存在不足，其需具有高热电性能所需的高度织构结构和高机械性能所需的细晶粒微观结构。

近期，武汉理工大学的研究人员提出了一种机械剥离结合火花等离子烧结（ME-SPS）的方法来制备Bi0.5Sb1.5Te3，这种材料具有高度改善的机械性能（主要与位错网络相关）以及显著改善的热电性能（主要与织构结构相关）。在该方法中，位错密度和取向因子（orientation factor）均可通过烧结压力来调节。在20 MPa的烧结压力下，可保留高达0.8的取向因子，从而产生比粉末冶金多晶高得多的功率因数（4.8 mW m-1 K-2）。同时，该方法可以很容易地诱导高密度位错（高达~1010 cm-2），与区域熔炼铸锭相比，提高了机械性能并降低了晶格热导率。样品在350 K时的热电优值ZT为1.2，证明此方法在制备高性能Bi2Te3基合金方面非常有效，这对于近室温商业应用的热电模块开发至关重要。该研究工作以“Enhancing the Thermoelectric and Mechanical Properties of Bi0.5Sb1.5Te3 Modulated by the Texture and Dense Dislocation Networks”发表于ACS Appl. Mater. Interfaces上。

图5. 通过织构和密集位错网络提高Bi0.5Sb1.5Te3的热电性能和机械性能

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https://doi.org/10.1021/acsami.1c19172

2、Adv. Mater. Interfaces：通过合理成分和结构控制提高p型Bi0.4Sb1.6Te3薄膜的热电性能

Bi2Te3基薄膜具有良好的热电性能，在热电器件中具有广阔的应用前景。

最近，深圳大学的研究人员报道了一种Te过量p型Bi0.4Sb1.6Te3（BST）薄膜，通过成分和生长取向的优化，可获得高功率因数。实验表明，随着快速退火温度的升高，择优生长取向从（015）变为（00l），这是Te过量BST薄膜具有高电导率的原因。微观结构表征观察到BST晶界之间的Te纳米粒子，说明成分调控导致载流子浓度的优化和Seebeck系数的提高。最终，在500 K下获得18.39 µW cm−1 K−2的高功率因数，比BST薄膜大两倍以上。这项研究证明合理的成分和结构调控可以显著提高p型Te-Bi0.4Sb1.6Te3薄膜的热电性能。相关研究内容以“Rational Composition and Structural Control for Enhancing Thermoelectric Properties in p-Type Bi0.4Sb1.6Te3Thin Films”发表于Adv. Mater. Interfaces上。

图6.样品的电导率、Seebeck系数与功率因数

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https://doi.org/10.1002/admi.202101812

4 电磁屏蔽材料

1、Mater. Design：用于高性能电磁干扰屏蔽的柔性石墨烯/纳米银颗粒/铝膜纸

橡胶和塑料被广泛用作柔性电磁屏蔽（electromagnetic shielding，EMS）材料的基材。然而，这些材料在实际应用中存在一些缺点，例如潜在的环境问题和降解困难。

近期，南京林业大学的研究人员成功制备了一种由电磁波损耗层（石墨烯/银纳米颗粒（AgNPs）涂层）和反射层（铝膜层）组成的可生物降解纸基材料。电磁波损耗层构建了三维（3D）导电网络，以便及时传递从电磁波中获得的电子和热能。同时，反射层接收来自导电网络的电子和热量，并使少量的透射波返回到电磁波损耗层。这种材料在8-13 GHz范围内表现出92.29 dB的超高电磁干扰屏蔽效能（EMI SE），4431 S/m的电导率，32 MPa的拉伸强度和6.65%的断裂伸长率。与传统EMS材料相比，这种复合材料具有优异的屏蔽效能、传热性能和耐候性，有望在微电子、集成电路和柔性电子等领域得到应用。该研究工作以“Flexible graphene/silver nanoparticles/aluminum film paper for high-performance electromagnetic interference shielding”发表于Mater. Design上。

图7.用于高性能电磁干扰屏蔽的柔性石墨烯/纳米银颗粒/铝薄膜纸

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https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110296

2、J.  Mater. Chem. C：通过多元素共掺杂策略获得具有高效吸收能力和超宽带宽的固溶体基毫米波吸收材料

随着5G通信技术的飞速发展，高频段电磁污染问题日益严重，迫切需要开发毫米波吸收材料。然而，由于应用频段窗口中的阻抗失配，在小厚度下同时实现大反射损耗（reflection loss，RL）和宽吸收带宽仍然是一个挑战。

近日，南方科技大学的研究人员提出一种选择性多元素共掺杂策略，并制备得到高性能固溶体基毫米波吸收材料BaZr0.2Ti0.2Ni0.2W0.2Fe11.2O19。当多种离子被成功地共掺杂到固溶体中时，其电导率显著增加，比单离子掺杂高124倍。这不仅改善了阻抗匹配，而且通过增加介电损耗增强了这种固溶体材料对入射电磁波的衰减能力。这种吸波材料的磁损耗来源于由多个朗德因子（Lande factor）诱导的多重自然共振峰，这些朗德因子由Fe3+和Fe2+离子之间的交换耦合作用进行调控，与涡流损耗一起，增强了RL性能。此外，通过四元素共掺杂产生的不对称磁损耗峰，大大拓宽了其在毫米波范围的吸收带宽。得益于多重电磁波衰减机制，这种材料在18-40GHz的频率范围内，在完美阻抗匹配条件下，表现出优异的毫米波吸收性能，其RL值为-61.8dB（>99.9999%的电磁波可被有效吸收），-20 dB带宽为9.15 GHz，匹配厚度仅为0.97 mm，综合性能优于目前最先进的毫米波吸收材料。该研究工作以“Solid Solution-Based Millimeter-Wave Absorber Exhibiting High-Efficient Absorbing Capability and Ultrabroad Bandwidth Simultaneously via Multi-Elemental Co-Doping Strategy”发表于J. Mater. Chem. C上。

图8. 多元素共掺杂固溶体材料在毫米波段（R波段）的电磁波吸收性能

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https://doi.org/10.1039/D1TC05078H

5 电子封装材料

1、Comp. Sci. Tech.：二氧化硅纳米粒子填充聚合物：脱粘和微观结构

热固性聚合物复合材料和粘合剂在电动汽车等应用场景中由于其高度交联的结构而受到聚合物韧性差的限制。向热固性聚合物中添加一小部分重量的二氧化硅纳米颗粒是提高聚合物韧性和机械性能的一种非常有效的方法，但微米级颗粒却没有这种效应。

最近，英国帝国理工学院的研究人员通过实验和数值分析研究了这种效应。实验结果中的“塑性”可归因于颗粒的脱粘（debonding），脱粘判据为使二氧化硅颗粒脱粘的起始断裂能。通过数值模拟发现，不同小尺度微观结构的颗粒中应变能不同，这种小尺度聚集可以解释向聚合物中添加少量纳米颗粒的效果。该研究对人们开发具有高水平断裂韧性和机械性能的纳米粒子复合材料具有指导意义。相关论文以“Silica nano-particle filled polymers: Debonding and microstructure”为题发表于Comp. Sci. Tech.上。

图9. 脱粘前颗粒周围环氧树脂中的（a）径向和（b）切向应力（5%重量分数）

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https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2021.109202

2、IEEE Trans. Comp. Pack. Man. Tech.：环氧基封装材料的实验和有限元分析——交流和直流条件下降低电场和功率损耗

功率模块的封装材料在不同的工作条件下会暴露于交流或直流电压下。因此，功率模块中使用的封装材料需要具有较低的电场和功率损耗，以避免在高频交流条件下发生热击穿。此外，还需要低的空间电荷注入和积累，以减少高温直流条件下的电场畸变。

最近，浙江大学的研究人员研究了环氧树脂微米复合材料、纳米复合材料和微纳米杂化复合材料作为功率模块封装材料的性能。通过热导率、差示扫描量热法（DSC）、空间电荷、直流电导率、热激去极化电流（TSDC）和介电谱测量，结合交流稳态电场模拟和直流瞬态电场模拟，分析了作为功率模块结构封装材料的环氧复合材料在交流电压和直流电压下的电气性能。在交流电场模拟中，使用介电谱数据获得在交流电压下不同温度和频率下环氧复合材料的电场和功率损耗。利用直流电导率和TSDC实验数据进行直流瞬态电场模拟，得到直流电压下考虑空间电荷的电场。结果表明，在150℃、1 MHz的交流条件下，在环氧微纳米杂化复合材料中加入20 wt%的微米氮化铝和5 wt%的纳米氮化铝，可以降低功率损耗和电场强度。此外，考虑到直流电压下的空间电荷，与纯环氧树脂相比，环氧微纳米杂化复合材料中的电场也可以减小。相关研究工作以“Experimental and Finite Element Analysis of Epoxy-based Composites for Packaging Materials to Reduce Electric Field and Power Loss Under AC and DC Conditions”发表于IEEE Trans. Comp. Pack. Man. Tech.上。

图

图10. （a）使用纯EP作为封装材料的功率模块封装结构在5 kV（峰值）交流电压下的电场分布，1 MHz，150℃；（b）网格技术。

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DOI: 10.1109/TCPMT.2021.3133624

文字 | 科研管理办

编辑 | 公共关系与宣传办