1 電介質材料

1、Adv. Funct. Mater.：連續梯度結構全有機介電聚合物薄膜的超高能量密度 

高性能介質電容器對于先進的電子和電力系統至關重要。聚合物電介質材料因其高介電常數、柔性、低密度和易于加工而被廣泛用于介質電容器。然而，同時提高這些介電聚合物的能量密度和效率仍然是一個挑戰。

近日，武漢理工大學、清華大學等單位的研究人員報道了一種具有連續成分梯度結構的鐵電聚偏氟乙烯基全有機電介質聚合物薄膜，可通過調節聚甲基丙烯酸甲酯組分的空間分布，使用一種簡便且可擴展的增材制造方法得到。在這種全有機電介質聚合物薄膜中，連續的面外成分梯度可以調節電學和力學行為，從而通過調控與局部電場和應力耦合相關的電機械擊穿過程，顯著增強擊穿強度，最終在800 kV mm-1的電場下獲得38.8 J cm-3的超高放電能量密度和>80%的高放電效率，這是迄今為止聚合物基電介質（包括其納米復合材料）報道的最高能量密度值，以及在能量密度>30 J cm-3下實現的最高能量效率。相關研究成果以“Ultrahigh Energy Density in Continuously Gradient-Structured All-Organic Dielectric Polymer Films”發表于Adv. Funct. Mater.上。

圖1. 擊穿強度、放電能量密度和效率及其與文獻的對比

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202200848

2、J. Mater. Chem. A：具有超高能量密度的聚合物介質電容器

混合動力汽車和醫療器械等應用場景對薄膜電容器所需的高儲能密度柔性介電聚合物材料提出需求。聚偏氟乙烯（PVDF）因其固有的高極化、優異的加工性能、良好的機械性能和較高的介電擊穿強度而被認為是一種很有前途的候選材料。然而，普通PVDF在高電場下的能量密度（Ue）和充放電效率（η）較低。

近日，倫敦瑪麗女王大學、東華大學、挪威科技大學等機構的研究人員提出了一種新的簡便方法“一步滾壓（Roll&Press）法”以克服上述限制。在類弛豫PVDF中，在1000 kV mm-1條件下實現了50.2 J cm-3的創紀錄高儲能密度和80%的優異充放電效率，這歸因于多層結構中連續折疊邊界在滾壓期間產生的約束效應誘導的可逆極性納米結構。滾壓后PVDF的儲能性能優于所有其他已報道的聚合物基材料。此外，研究人員還使用滾壓技術組裝了一個現成的電容器并展示了其優異的儲能性能。這種滾壓法的普適性和優越的儲能性能使PVDF成為現代儲能系統的有力候選材料。該研究工作以“Ultra-High Energy Density Integrated Polymer Dielectric Capacitors”發表于J. Mater. Chem. A上。

圖2. 使用滾壓法一步制備的介質電容器及其D-E、I-E回線

論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D1TA09045C

2 熱管理材料

1、Mater. Horiz.：具有巨大可逆表面附著力與持久跨界面熱傳導的熱界面材料

電子器件的小型化和集成化要求下一代熱界面材料（TIM）具有更高的服役性能和長期穩定性。除了提高材料的固有導熱性外，還應注意接觸熱阻。傳統方法采用導熱系數高、幾何適應性強的熱界面材料來促進跨界面熱傳輸。然而，它們在長期使用過程中仍然會受到接觸熱阻惡化的影響，這是因為它們的熱膨脹系數與目標基板不匹配。

近期，四川大學、鄭州大學和南京林業大學的研究人員合成了一種具有多級氫鍵的聚氨酯，可實現與基板的高表面粘附性。通過加入可變形液態金屬改性后的氧化鋁，提高了導熱能力，并提供了聚合物節段運動的自由度。這些分子和結構設計賦予該復合材料高各向同性導熱性、電絕緣性和溫度響應可逆粘附性，從而在無需外部壓力的條件下實現低熱阻和與基板的持久熱接觸。這一研究工作以“A Thermal Conductive Interface Material with Tremendous and Reversible Surface Adhesion Promises Durable Cross-Interface Heat Conduction”發表于Mater. Horiz.上。

圖3. 使用PUPDM/LM/Al2O3復合材料進行界面熱管理

論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D2MH00276K

2、Composites Part A：通過磁取向實現氮化硼納米片/環氧樹脂復合薄膜的高面外導熱性

氮化硼納米片（boron nitride nanosheet，BNNSs）是制備具有各向異性性能的氮化硼（BN）/聚合物復合材料的優異導熱填料，因其具有高度各向異性的導熱系數，在面內和面外方向的導熱系數分別為~600和~30WM?1K?1。然而，制備具有高面外熱導率（K）的氮化硼納米片（BNNS）/聚合物復合薄膜仍然是一個挑戰。

最近，中國科學院化學研究所等單位的研究人員通過優化磁場強度，獲得了BNNS良好取向、具有高面外熱導率的BNNS/環氧樹脂（EP）復合薄膜。首先，通過原位共沉淀法負載Fe3O4納米顆粒制備了具有大表面積的磁響應BNNSs（m-BNNSs）。接著，通過控制磁場的強度和方向，將m-BNNS引入EP中，制備出良好取向的m-BNNS/EP復合材料。結果表明，BNNSs在面外方向上具有良好的取向，導致30.0-wt% BNNS負載下其K值高達14.55 WM?1K?1，是無取向薄膜的4.5倍，純EP的70倍。這種策略可推廣用于制備以其他二維材料作為填料的聚合物復合薄膜。相關研究內容以“Achieving high out-of-plane thermal conductivity for boron nitride nano sheets/epoxy composite films by magnetic orientation”發表于Composites Part A上。

圖4. 通過磁取向實現氮化硼納米片/環氧樹脂復合薄膜的高面外導熱性

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2022.106933

3 熱電材料

1、Energy Environ. Sci.：內嵌納米孔的p型高ZT熱電材料(Bi,Sb)2Te3

使用熱電（TE）材料的珀耳帖器件有望用于5G和下一代通信技術中的精確溫度管理，這種需求推動了高性能Bi2Te3基合金的開發。

最近，清華大學的研究人員通過簡單地將BiI3和Zn的混合物作為Te和Bi位的摻雜劑加入(Bi,Sb)2Te3中，實現了熱電性能的顯著提高。有趣的是，BiI3的加入對摻雜幾乎沒有影響，但它引入了許多納米級的孔，這些孔可以有效地降低熱導率。添加微量BiI3后，電輸運性能沒有明顯惡化，從而進一步提高了ZT值。此外，Bi位的陽離子Zn摻雜改善了導電性，并防止了過量陰離子I摻雜可能導致的潛在劣化。中性Zn缺陷以缺陷簇的形式出現在納米孔的內表面，這可能會進一步降低晶格熱導率。得益于熱輸運和電輸運性質的協同調節作用，這種材料的ZT值在348 K時顯著提高至1.55，測得的熱電轉化效率為5.2%。該工作揭示了一種開發高性能(Bi,Sb)2Te3基合金的簡便方法，該方法也適用于其他熱電材料。相關研究工作以“High ZT in p-Type Thermoelectric (Bi,Sb)2Te3 with Built-in Nanopores”發表于Energy Environ. Sci.上。

圖5. 納米孔和富Zn缺陷簇的形成過程、散射效應以及晶格熱導率的實驗與計算結果

論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D2EE00119E

4 電磁屏蔽材料

1、Comp. Sci. Tech.：通過機器學習優化用于電磁干擾屏蔽的納米復合材料

用于電磁干擾（EMI）屏蔽的碳基填料/聚合物納米復合材料以其優異的導電性和輕質性吸引了研究人員的關注。眾多的材料設計特點使人們能夠靈活地制備出所需的屏蔽復合材料，然而，復合材料的開發通常依賴于研究人員的經驗和重復實驗，導致開發周期更長，成本更高。

最近，四川大學高分子科學與工程學院和青島理工大學的研究人員采用機器學習方法建立了屏蔽效能快速預測模型，分析了材料設計中的關鍵因素和規律，以優化新材料開發，減少實驗次數。首先，他們建立了用于電磁干擾屏蔽的碳基導電顆粒/聚合物納米復合材料數據集，包括最容易獲得的材料和結構特征。采用加權平均集成策略（Weighted Average Ensemble strategy），在數據集上集成五個不同的基礎模型，發現最終的預測模型優于所有基礎模型。此外，通過變量重要性排名分析了特征的重要性，通過未知模型技術（model-agnostic techniques），研究了關鍵特征對電磁干擾的影響規律。該預測模型是快速預測屏蔽性能的有效工具，可以指導材料開發，縮短開發周期，降低成本。該研究成果以“Machine learning to optimize nanocomposite materials for electromagnetic interference shielding”發表于Comp. Sci. Tech.上。

圖6.通過機器學習優化用于電磁干擾屏蔽的納米復合材料

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2022.109414

5 電子封裝材料

1、IEEE Trans. Comp. Packag. Man. Tech.：利用355 nm能量可鍵合激光釋放材料促進RDL-first和Die-first扇出型晶圓級封裝（FOWLP）研究

激光釋放材料對激光能量的吸收使得激光釋放過程中鍵的斷裂能夠最小化重構晶片和玻璃載片之間的粘結。

最近，臺灣陽明交通大學等單位的研究人員對RDL-first和die-first FOWLP的可鍵合激光釋放材料的選型進行了全面評價。根據它們在355 nm處的吸收系數，確定了四種激光釋放材料。這四種材料都在350℃以上具有熱穩定性，在Ti/Cu層上的剝離粘合力大于8 psi，證實了其在FOWLP中的兼容性。為了進一步評估這些材料，研究人員使用聚焦離子束（FIB）檢查了單脈沖激光燒蝕區域的輪廓，確保355 nm激光能量的自由穿透。使用指定的芯片鍵合測試裝置，可在低于200℃的溫度下實現鍵合，在塑封前后實現小于1.5 μm的芯片偏移和小于0.02°的旋轉。此外，該材料需要小于3 W的激光能量進行激光釋放。這種可鍵合的激光釋放材料消除了傳統工藝流程中對固晶材料的需求，有助于開發經濟高效的FOWLP。相關研究內容以“Study of Bondable Laser Release Material Using 355 nm Energy to Facilitate RDL-first and Die-first Fan-Out Wafer-Level Packaging (FOWLP)”發表于IEEE Trans. Comp. Packag. Man. Tech.上。

圖7. 利用激光燒蝕飽和區分離重構晶片與玻璃載片的激光釋放結果

論文鏈接：DOI: 10.1109/TCPMT.2022.3156730

2、IEEE Trans. Comp. Packag. Man. Tech.：通過180℃超低溫下無樹脂納米銀漿燒結實現大面積鍵合

納米銀漿具有優良的散熱性能和高溫可靠性，是最有潛力的熱界面材料之一。

最近，天津大學等機構的研究人員為了實現優異的界面散熱，通過在界面處使用額外的松油醇溶劑，提高了銀納米顆粒（Ag NPs）在器件金屬化和額外擴散通道中的擴散率，成功實現了這種新型納米銀漿在超低溫（180℃）下的大面積（≥400 mm2）燒結。在≤5 MPa的輔助壓力下，可實現剪切強度大于500 kgf，穩態熱阻為0.273℃/W的強接合，接近于在>250℃下燒結的傳統納米銀接頭。由于松油醇溶劑增加了擴散流動性以及更快速的擴散通道，更多銀納米顆粒可擴散到芯片金屬化，從而大大改善界面處的結合，在低燒結溫度下實現大面積鍵合。該研究論文以“Large-Area Bonding by Sintering of A Resin-Free Nanosilver Paste at Ultra-Low Temperature of 180℃”發表于IEEE Trans. Comp. Packag. Man. Tech.上。

圖8. 燒結過程中的界面擴散示意圖

論文鏈接：DOI: 10.1109/TCPMT.2022.3159033

3、Polym. Degrad. Stabil.：氮雜環/磷雜菲衍生物作為反應性添加劑同時改善環氧樹脂的阻燃性、機械性能和介電性能

人們為了解決環氧樹脂（EP）材料的易燃性，已開發出各種方法并取得成功應用，但EP阻燃性的提高往往伴隨著玻璃化轉變溫度（Tg）和機械性能的惡化。

最近，武漢紡織大學的研究人員合成了一種被稱作TBO的含磷三唑衍生物，并將其連接到環氧樹脂骨架中，制備得到了具有良好綜合性能的EP復合材料。當磷含量為0.75 wt%時，0.75-TBO/EP復合材料達到V-0等級，極限氧指數為33%。1.0-TBO/EP復合材料也具有V-0等級，峰值放熱率降低了37.6%。此外，0.75-TBO/EP復合材料的拉伸強度和抗彎強度分別從EP的59 MPa和134 MPa提高到63.9 MPa和146 MPa。同時，與EP相比，TBO/EP的Tg值也得到了一定程度的提高。這種TBO改性的環氧樹脂具有很強的力學性能、較高的Tg和優異的阻燃性能，表現出很強的應用潛力。該研究工作以“A nitrogen heterocyclic/phosphaphenanthrene derivative as a reactive additive for simultaneous improvement of flame retardancy, mechanical and dielectric properties of epoxy resins”發表于Polym. Degrad. Stabil.上。

圖9. TBO/EP復合材料的拉伸強度和抗彎強度

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2022.109909

6 材料原位表征

1、Comp. Sci. Tech.：用同步輻射X射線計算機斷層掃描技術在納米尺度上原位觀察碳纖維/環氧復合材料在混合模式下的損傷形成

碳纖維增強塑料（Carbon fiber-reinforced plastics，CFRP）中的納米尺度斷裂機制仍然存在爭議，因為使用基于側面和斷裂面觀察的傳統技術（如光學和/或電子顯微鏡）來確定三維斷裂機制相當困難。

最近，日本高能加速器研究機構（KEK）等單位的研究人員通過使用無損納米級同步輻射X射線計算機斷層掃描（nanoscopic SR X-CT）原位表征了混合模式（模式I+II）加載下的微觀損傷，如纖維/基體脫粘和微裂紋。研究結果表明，裂紋的形成分為三個步驟：（i）在碳纖維/環氧樹脂基體界面處開始；（ii）擴展到環氧樹脂中；（iii）在樹脂基體中形成微裂紋（分叉），由此產生的納米級裂紋微結構在很大程度上受局部纖維幾何分布的影響。在“薄”環氧樹脂區域（厚度<碳纖維直徑dCF的一半）開始出現尖銳而直的界面裂紋，并沿碳纖維/環氧樹脂界面擴展。尖銳裂紋在“厚”環氧區域（厚度>1/2 dCF）傳播到環氧基體中，在垂直于局部主拉應力方向的樹脂基體中形成分叉。Nanoscopic SR X-CT提供了變形過程中納米級三維機制的信息，這對于理解CFRP等異質材料具有重要價值。該研究工作以“Nanoscale in situ observation of damage formation in carbon fiber/epoxy composites under mixed-mode loading using synchrotron radiation X-ray computed tomography”發表于Comp. Sci. Tech.上。

圖10. 用同步輻射X射線計算機斷層掃描技術在納米尺度上原位觀察碳纖維/環氧復合材料在混合模式下的損傷形成

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2022.109332

文字 | 戰略研究辦

編輯 | 宣傳辦