1 電介質材料

1、J. Mater. Chem. C：構建柔性一維核殼結構Al2O3@NaNbO3納米線/聚對苯撐苯并雙惡唑納米復合材料實現超寬溫度范圍內穩定和增強的介電性能

具有高溫彈性的聚合物電介質材料對開發先進的靜電電容器具有重要意義。聚對苯撐苯并雙惡唑（PBO）是一種具有優異熱穩定性的聚合物。然而，其較差的加工性能和低本征介電常數限制了其在高性能電介質中的應用。

最近，華東理工大學的研究人員采用前驅體法合成了PBO，通過溶液澆鑄法制備得到聚合物薄膜。這種制備方法通過設計具有多級結構的一維Al2O3@NaNbO3并將其引入PBO基體，因其高長寬比和獨特的結構，使得納米復合材料的介電性能和擊穿強度顯著提高，且比傳統加工方法更為方便。填充3 vol% Al2O3@NaNbO3的納米復合材料具有286 kV/mm的最高擊穿強度，同時在1 kHz下保持6.68的高介電常數和0.035的低介電損耗，在250 kV/mm時，能量密度高達1.64 J/cm3（約比純PBO高200%）。此外，3 vol% Al2O3@NaNbO3-PBO在25-250℃溫度范圍內的介電性能表現出優異的熱穩定性，這歸因于PBO和Al2O3@NaNbO3的耐熱性。這項工作為制備在極端環境下使用的聚合物電介質材料提供了一種有前景的方法。相關研究以“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”發表于J. Mater. Chem. C上。

圖1. （a、b）擊穿強度的Weibull分布；（c）不同填料含量下的擊穿強度對比；（d）內電場分布

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https://doi.org/10.1039/D1TC05139C

2、IEEE Trans. Comp. Pack. Man. Tech.：液晶高分子材料的寬頻毫米波介電性能

液晶聚合物（Liquid crystal polymers，LCP）是一類熱塑性聚合物，廣泛應用于工作頻率高達77 GHz的封裝射頻（rf）、微波和低毫米波（mm）集成電路。由于其相對較低的成本和良好的電氣、熱和機械性能，LCP作為在高毫米波頻率（約100-300 GHz）下運行的先進電路封裝材料引起了大家的興趣。要在這些頻率下使用LCP，需要對寬頻范圍內材料的介電性能有定量的了解。

最近，美國得克薩斯大學達拉斯分校的研究人員對目前用于射頻/微波電路封裝的六種商用LCP材料的介電常數Dk和損耗因子Df進行了無損測量。使用140-220 GHz相敏傳輸進行的測量顯示，Dk值在2.0至4.5之間，四種材料基本上不色散，但有兩種材料在該頻段出現明顯的色散。Df值在0.01到0.06之間，大大高于射頻/微波頻率下許多LCP材料的報道值。這些研究結果有助于精確模擬封裝毫米波電路的性能。相關研究內容以“Broadband Millimeter-Wave Dielectric Properties of Liquid Crystal Polymer Materials”發表于IEEE Trans. Comp. Pack. Man. Tech.上。

圖2.六種材料的Dk值和Df值隨頻率的變化

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DOI: 10.1109/TCPMT.2021.3131921

2 熱管理材料

1、Adv. Mater.：金屬/鐵電界面上的巨熱輸運調控

界面熱輸運在納米物體的熱管理中起著重要作用，對基礎研究和納米器件亦具有重要意義。在常見于電子器件結構的金屬/絕緣體界面中，熱傳輸強烈地依賴于從金屬中熱電子到絕緣體中聲子的有效能量傳遞。然而，金屬/絕緣體界面處的界面電子-聲子耦合和熱輸運機制尚不清楚。

近期，南京大學的研究人員報道了Al/BiFeO3薄膜中金屬/鐵電界面處界面熱阻的顯著增強和表面電荷的重要作用。通過施加單軸應變，界面熱阻可以發生顯著變化（高達一個數量級），這是由于極化旋轉引起的界面電荷重分布導致的重整化界面電子-聲子耦合。結果表明，金屬/絕緣體界面上的表面電荷可以顯著增強界面電子-聲子介導的熱耦合，這為優化下一代納米器件、功率電子和熱邏輯器件的熱傳輸性能提供了新的途徑。該研究成果以“Giant Thermal Transport Tuning at a Metal/Ferroelectric Interface”發表于Adv. Mater.上。

圖3.熱阻對鐵電極化方向的強烈依賴性

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

2、Composites Part B：一種連接靜電紡絲纖維以提高氮化硼/聚合物復合薄膜熱導率的靜電紡絲-靜電噴涂技術

由于填料的線性取向和加工簡便性，靜電紡絲（Electrospinning）有時被用于制備面向熱管理的填料/聚合物復合材料。然而，電紡纖維內部的填料-聚合物熱阻以及電紡纖維之間缺乏有效連接影響了電紡薄膜的填料利用效率。

最近，南京大學的研究人員提出一種靜電紡絲-靜電噴涂技術，可用于制備填料-聚合物復合材料，其中靜電紡絲提供主要的熱傳導路徑，而靜電噴涂用于連接靜電紡絲纖維并構建額外的熱傳導路徑。最后，制備得到一種熱導率為24.98 W/(m·K)的靜電紡絲-靜電噴涂復合薄膜，其中氮化硼納米片（BNNS）含量為40 wt%。含有30 wt% BNNS的靜電紡絲-靜電噴涂樣品的熱導率是靜電紡絲薄膜的1.7倍。該研究首次使用靜電紡絲-靜電噴涂方法制備高導熱復合材料，并展示了此類材料在熱管理領域的巨大應用潛力。相關研究工作以“An electrospinning-electrospraying technique for connecting electrospun fibers to enhance the thermal conductivity of boron nitride/polymer composite films”發表于Composites Part B上。

圖4. PAN與BNNS/PAN復合薄膜的散熱應用

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

3 熱電材料

1、ACS Appl. Mater. Interfaces：通過織構和密集位錯網絡提高Bi0.5Sb1.5Te3的熱電性能和機械性能

Bi2Te3基材料是幾乎所有室溫應用的主要熱電材料。為了滿足可靠微冷卻等領域的應用需求，它們的熱電性能和機械性能都需要進一步提高。傳統的區域熔煉和粉末冶金方法在制備Bi2Te3基合金方面存在不足，其需具有高熱電性能所需的高度織構結構和高機械性能所需的細晶粒微觀結構。

近期，武漢理工大學的研究人員提出了一種機械剝離結合火花等離子燒結（ME-SPS）的方法來制備Bi0.5Sb1.5Te3，這種材料具有高度改善的機械性能（主要與位錯網絡相關）以及顯著改善的熱電性能（主要與織構結構相關）。在該方法中，位錯密度和取向因子（orientation factor）均可通過燒結壓力來調節。在20 MPa的燒結壓力下，可保留高達0.8的取向因子，從而產生比粉末冶金多晶高得多的功率因數（4.8 mW m-1 K-2）。同時，該方法可以很容易地誘導高密度位錯（高達~1010 cm-2），與區域熔煉鑄錠相比，提高了機械性能并降低了晶格熱導率。樣品在350 K時的熱電優值ZT為1.2，證明此方法在制備高性能Bi2Te3基合金方面非常有效，這對于近室溫商業應用的熱電模塊開發至關重要。該研究工作以“Enhancing the Thermoelectric and Mechanical Properties of Bi0.5Sb1.5Te3 Modulated by the Texture and Dense Dislocation Networks”發表于ACS Appl. Mater. Interfaces上。

圖5. 通過織構和密集位錯網絡提高Bi0.5Sb1.5Te3的熱電性能和機械性能

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

2、Adv. Mater. Interfaces：通過合理成分和結構控制提高p型Bi0.4Sb1.6Te3薄膜的熱電性能

Bi2Te3基薄膜具有良好的熱電性能，在熱電器件中具有廣闊的應用前景。

最近，深圳大學的研究人員報道了一種Te過量p型Bi0.4Sb1.6Te3（BST）薄膜，通過成分和生長取向的優化，可獲得高功率因數。實驗表明，隨著快速退火溫度的升高，擇優生長取向從（015）變為（00l），這是Te過量BST薄膜具有高電導率的原因。微觀結構表征觀察到BST晶界之間的Te納米粒子，說明成分調控導致載流子濃度的優化和Seebeck系數的提高。最終，在500 K下獲得18.39 μW cm?1 K?2的高功率因數，比BST薄膜大兩倍以上。這項研究證明合理的成分和結構調控可以顯著提高p型Te-Bi0.4Sb1.6Te3薄膜的熱電性能。相關研究內容以“Rational Composition and Structural Control for Enhancing Thermoelectric Properties in p-Type Bi0.4Sb1.6Te3Thin Films”發表于Adv. Mater. Interfaces上。

圖6.樣品的電導率、Seebeck系數與功率因數

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

4 電磁屏蔽材料

1、Mater. Design：用于高性能電磁干擾屏蔽的柔性石墨烯/納米銀顆粒/鋁膜紙

橡膠和塑料被廣泛用作柔性電磁屏蔽（electromagnetic shielding，EMS）材料的基材。然而，這些材料在實際應用中存在一些缺點，例如潛在的環境問題和降解困難。

近期，南京林業大學的研究人員成功制備了一種由電磁波損耗層（石墨烯/銀納米顆粒（AgNPs）涂層）和反射層（鋁膜層）組成的可生物降解紙基材料。電磁波損耗層構建了三維（3D）導電網絡，以便及時傳遞從電磁波中獲得的電子和熱能。同時，反射層接收來自導電網絡的電子和熱量，并使少量的透射波返回到電磁波損耗層。這種材料在8-13 GHz范圍內表現出92.29 dB的超高電磁干擾屏蔽效能（EMI SE），4431 S/m的電導率，32 MPa的拉伸強度和6.65%的斷裂伸長率。與傳統EMS材料相比，這種復合材料具有優異的屏蔽效能、傳熱性能和耐候性，有望在微電子、集成電路和柔性電子等領域得到應用。該研究工作以“Flexible graphene/silver nanoparticles/aluminum film paper for high-performance electromagnetic interference shielding”發表于Mater. Design上。

圖7.用于高性能電磁干擾屏蔽的柔性石墨烯/納米銀顆粒/鋁薄膜紙

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

2、J.  Mater. Chem. C：通過多元素共摻雜策略獲得具有高效吸收能力和超寬帶寬的固溶體基毫米波吸收材料

隨著5G通信技術的飛速發展，高頻段電磁污染問題日益嚴重，迫切需要開發毫米波吸收材料。然而，由于應用頻段窗口中的阻抗失配，在小厚度下同時實現大反射損耗（reflection loss，RL）和寬吸收帶寬仍然是一個挑戰。

近日，南方科技大學的研究人員提出一種選擇性多元素共摻雜策略，并制備得到高性能固溶體基毫米波吸收材料BaZr0.2Ti0.2Ni0.2W0.2Fe11.2O19。當多種離子被成功地共摻雜到固溶體中時，其電導率顯著增加，比單離子摻雜高124倍。這不僅改善了阻抗匹配，而且通過增加介電損耗增強了這種固溶體材料對入射電磁波的衰減能力。這種吸波材料的磁損耗來源于由多個朗德因子（Lande factor）誘導的多重自然共振峰，這些朗德因子由Fe3+和Fe2+離子之間的交換耦合作用進行調控，與渦流損耗一起，增強了RL性能。此外，通過四元素共摻雜產生的不對稱磁損耗峰，大大拓寬了其在毫米波范圍的吸收帶寬。得益于多重電磁波衰減機制，這種材料在18-40GHz的頻率范圍內，在完美阻抗匹配條件下，表現出優異的毫米波吸收性能，其RL值為-61.8dB（>99.9999%的電磁波可被有效吸收），-20 dB帶寬為9.15 GHz，匹配厚度僅為0.97 mm，綜合性能優于目前最先進的毫米波吸收材料。該研究工作以“Solid Solution-Based Millimeter-Wave Absorber Exhibiting High-Efficient Absorbing Capability and Ultrabroad Bandwidth Simultaneously via Multi-Elemental Co-Doping Strategy”發表于J. Mater. Chem. C上。

圖8. 多元素共摻雜固溶體材料在毫米波段（R波段）的電磁波吸收性能

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https://doi.org/10.1039/D1TC05078H

5 電子封裝材料

1、Comp. Sci. Tech.：二氧化硅納米粒子填充聚合物：脫粘和微觀結構

熱固性聚合物復合材料和粘合劑在電動汽車等應用場景中由于其高度交聯的結構而受到聚合物韌性差的限制。向熱固性聚合物中添加一小部分重量的二氧化硅納米顆粒是提高聚合物韌性和機械性能的一種非常有效的方法，但微米級顆粒卻沒有這種效應。

最近，英國帝國理工學院的研究人員通過實驗和數值分析研究了這種效應。實驗結果中的“塑性”可歸因于顆粒的脫粘（debonding），脫粘判據為使二氧化硅顆粒脫粘的起始斷裂能。通過數值模擬發現，不同小尺度微觀結構的顆粒中應變能不同，這種小尺度聚集可以解釋向聚合物中添加少量納米顆粒的效果。該研究對人們開發具有高水平斷裂韌性和機械性能的納米粒子復合材料具有指導意義。相關論文以“Silica nano-particle filled polymers: Debonding and microstructure”為題發表于Comp. Sci. Tech.上。

圖9. 脫粘前顆粒周圍環氧樹脂中的（a）徑向和（b）切向應力（5%重量分數）

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

2、IEEE Trans. Comp. Pack. Man. Tech.：環氧基封裝材料的實驗和有限元分析——交流和直流條件下降低電場和功率損耗

功率模塊的封裝材料在不同的工作條件下會暴露于交流或直流電壓下。因此，功率模塊中使用的封裝材料需要具有較低的電場和功率損耗，以避免在高頻交流條件下發生熱擊穿。此外，還需要低的空間電荷注入和積累，以減少高溫直流條件下的電場畸變。

最近，浙江大學的研究人員研究了環氧樹脂微米復合材料、納米復合材料和微納米雜化復合材料作為功率模塊封裝材料的性能。通過熱導率、差示掃描量熱法（DSC）、空間電荷、直流電導率、熱激去極化電流（TSDC）和介電譜測量，結合交流穩態電場模擬和直流瞬態電場模擬，分析了作為功率模塊結構封裝材料的環氧復合材料在交流電壓和直流電壓下的電氣性能。在交流電場模擬中，使用介電譜數據獲得在交流電壓下不同溫度和頻率下環氧復合材料的電場和功率損耗。利用直流電導率和TSDC實驗數據進行直流瞬態電場模擬，得到直流電壓下考慮空間電荷的電場。結果表明，在150℃、1 MHz的交流條件下，在環氧微納米雜化復合材料中加入20 wt%的微米氮化鋁和5 wt%的納米氮化鋁，可以降低功率損耗和電場強度。此外，考慮到直流電壓下的空間電荷，與純環氧樹脂相比，環氧微納米雜化復合材料中的電場也可以減小。相關研究工作以“Experimental and Finite Element Analysis of Epoxy-based Composites for Packaging Materials to Reduce Electric Field and Power Loss Under AC and DC Conditions”發表于IEEE Trans. Comp. Pack. Man. Tech.上。

圖

圖10. （a）使用純EP作為封裝材料的功率模塊封裝結構在5 kV（峰值）交流電壓下的電場分布，1 MHz，150℃；（b）網格技術。

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DOI: 10.1109/TCPMT.2021.3133624

文字 | 科研管理辦

編輯 | 公共關系與宣傳辦