1 电介质材料

1、Adv. Funct. Mater.：连续梯度结构全有机介电聚合物薄膜的超高能量密度 

高性能介质电容器对于先进的电子和电力系统至关重要。聚合物电介质材料因其高介电常数、柔性、低密度和易于加工而被广泛用于介质电容器。然而，同时提高这些介电聚合物的能量密度和效率仍然是一个挑战。

近日，武汉理工大学、清华大学等单位的研究人员报道了一种具有连续成分梯度结构的铁电聚偏氟乙烯基全有机电介质聚合物薄膜，可通过调节聚甲基丙烯酸甲酯组分的空间分布，使用一种简便且可扩展的增材制造方法得到。在这种全有机电介质聚合物薄膜中，连续的面外成分梯度可以调节电学和力学行为，从而通过调控与局部电场和应力耦合相关的电机械击穿过程，显著增强击穿强度，最终在800 kV mm-1的电场下获得38.8 J cm-3的超高放电能量密度和>80%的高放电效率，这是迄今为止聚合物基电介质（包括其纳米复合材料）报道的最高能量密度值，以及在能量密度>30 J cm-3下实现的最高能量效率。相关研究成果以“Ultrahigh Energy Density in Continuously Gradient-Structured All-Organic Dielectric Polymer Films”发表于Adv. Funct. Mater.上。

图1. 击穿强度、放电能量密度和效率及其与文献的对比

论文链接：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质电容器

混合动力汽车和医疗器械等应用场景对薄膜电容器所需的高储能密度柔性介电聚合物材料提出需求。聚偏氟乙烯（PVDF）因其固有的高极化、优异的加工性能、良好的机械性能和较高的介电击穿强度而被认为是一种很有前途的候选材料。然而，普通PVDF在高电场下的能量密度（Ue）和充放电效率（η）较低。

近日，伦敦玛丽女王大学、东华大学、挪威科技大学等机构的研究人员提出了一种新的简便方法“一步滚压（Roll&Press）法”以克服上述限制。在类弛豫PVDF中，在1000 kV mm-1条件下实现了50.2 J cm-3的创纪录高储能密度和80%的优异充放电效率，这归因于多层结构中连续折叠边界在滚压期间产生的约束效应诱导的可逆极性纳米结构。滚压后PVDF的储能性能优于所有其他已报道的聚合物基材料。此外，研究人员还使用滚压技术组装了一个现成的电容器并展示了其优异的储能性能。这种滚压法的普适性和优越的储能性能使PVDF成为现代储能系统的有力候选材料。该研究工作以“Ultra-High Energy Density Integrated Polymer Dielectric Capacitors”发表于J. Mater. Chem. A上。

图2. 使用滚压法一步制备的介质电容器及其D-E、I-E回线

论文链接：https://doi.org/10.1039/D1TA09045C

2 热管理材料

1、Mater. Horiz.：具有巨大可逆表面附着力与持久跨界面热传导的热界面材料

电子器件的小型化和集成化要求下一代热界面材料（TIM）具有更高的服役性能和长期稳定性。除了提高材料的固有导热性外，还应注意接触热阻。传统方法采用导热系数高、几何适应性强的热界面材料来促进跨界面热传输。然而，它们在长期使用过程中仍然会受到接触热阻恶化的影响，这是因为它们的热膨胀系数与目标基板不匹配。

近期，四川大学、郑州大学和南京林业大学的研究人员合成了一种具有多级氢键的聚氨酯，可实现与基板的高表面粘附性。通过加入可变形液态金属改性后的氧化铝，提高了导热能力，并提供了聚合物节段运动的自由度。这些分子和结构设计赋予该复合材料高各向同性导热性、电绝缘性和温度响应可逆粘附性，从而在无需外部压力的条件下实现低热阻和与基板的持久热接触。这一研究工作以“A Thermal Conductive Interface Material with Tremendous and Reversible Surface Adhesion Promises Durable Cross-Interface Heat Conduction”发表于Mater. Horiz.上。

图3. 使用PUPDM/LM/Al2O3复合材料进行界面热管理

论文链接：https://doi.org/10.1039/D2MH00276K

2、Composites Part A：通过磁取向实现氮化硼纳米片/环氧树脂复合薄膜的高面外导热性

氮化硼纳米片（boron nitride nanosheet，BNNSs）是制备具有各向异性性能的氮化硼（BN）/聚合物复合材料的优异导热填料，因其具有高度各向异性的导热系数，在面内和面外方向的导热系数分别为~600和~30WM−1K−1。然而，制备具有高面外热导率（K）的氮化硼纳米片（BNNS）/聚合物复合薄膜仍然是一个挑战。

最近，中国科学院化学研究所等单位的研究人员通过优化磁场强度，获得了BNNS良好取向、具有高面外热导率的BNNS/环氧树脂（EP）复合薄膜。首先，通过原位共沉淀法负载Fe3O4纳米颗粒制备了具有大表面积的磁响应BNNSs（m-BNNSs）。接着，通过控制磁场的强度和方向，将m-BNNS引入EP中，制备出良好取向的m-BNNS/EP复合材料。结果表明，BNNSs在面外方向上具有良好的取向，导致30.0-wt% BNNS负载下其K值高达14.55 WM−1K−1，是无取向薄膜的4.5倍，纯EP的70倍。这种策略可推广用于制备以其他二维材料作为填料的聚合物复合薄膜。相关研究内容以“Achieving high out-of-plane thermal conductivity for boron nitride nano sheets/epoxy composite films by magnetic orientation”发表于Composites Part A上。

图4. 通过磁取向实现氮化硼纳米片/环氧树脂复合薄膜的高面外导热性

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2022.106933

3 热电材料

1、Energy Environ. Sci.：内嵌纳米孔的p型高ZT热电材料(Bi,Sb)2Te3

使用热电（TE）材料的珀耳帖器件有望用于5G和下一代通信技术中的精确温度管理，这种需求推动了高性能Bi2Te3基合金的开发。

最近，清华大学的研究人员通过简单地将BiI3和Zn的混合物作为Te和Bi位的掺杂剂加入(Bi,Sb)2Te3中，实现了热电性能的显著提高。有趣的是，BiI3的加入对掺杂几乎没有影响，但它引入了许多纳米级的孔，这些孔可以有效地降低热导率。添加微量BiI3后，电输运性能没有明显恶化，从而进一步提高了ZT值。此外，Bi位的阳离子Zn掺杂改善了导电性，并防止了过量阴离子I掺杂可能导致的潜在劣化。中性Zn缺陷以缺陷簇的形式出现在纳米孔的内表面，这可能会进一步降低晶格热导率。得益于热输运和电输运性质的协同调节作用，这种材料的ZT值在348 K时显著提高至1.55，测得的热电转化效率为5.2%。该工作揭示了一种开发高性能(Bi,Sb)2Te3基合金的简便方法，该方法也适用于其他热电材料。相关研究工作以“High ZT in p-Type Thermoelectric (Bi,Sb)2Te3 with Built-in Nanopores”发表于Energy Environ. Sci.上。

图5. 纳米孔和富Zn缺陷簇的形成过程、散射效应以及晶格热导率的实验与计算结果

论文链接：https://doi.org/10.1039/D2EE00119E

4 电磁屏蔽材料

1、Comp. Sci. Tech.：通过机器学习优化用于电磁干扰屏蔽的纳米复合材料

用于电磁干扰（EMI）屏蔽的碳基填料/聚合物纳米复合材料以其优异的导电性和轻质性吸引了研究人员的关注。众多的材料设计特点使人们能够灵活地制备出所需的屏蔽复合材料，然而，复合材料的开发通常依赖于研究人员的经验和重复实验，导致开发周期更长，成本更高。

最近，四川大学高分子科学与工程学院和青岛理工大学的研究人员采用机器学习方法建立了屏蔽效能快速预测模型，分析了材料设计中的关键因素和规律，以优化新材料开发，减少实验次数。首先，他们建立了用于电磁干扰屏蔽的碳基导电颗粒/聚合物纳米复合材料数据集，包括最容易获得的材料和结构特征。采用加权平均集成策略（Weighted Average Ensemble strategy），在数据集上集成五个不同的基础模型，发现最终的预测模型优于所有基础模型。此外，通过变量重要性排名分析了特征的重要性，通过未知模型技术（model-agnostic techniques），研究了关键特征对电磁干扰的影响规律。该预测模型是快速预测屏蔽性能的有效工具，可以指导材料开发，缩短开发周期，降低成本。该研究成果以“Machine learning to optimize nanocomposite materials for electromagnetic interference shielding”发表于Comp. Sci. Tech.上。

图6.通过机器学习优化用于电磁干扰屏蔽的纳米复合材料

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2022.109414

5 电子封装材料

1、IEEE Trans. Comp. Packag. Man. Tech.：利用355 nm能量可键合激光释放材料促进RDL-first和Die-first扇出型晶圆级封装（FOWLP）研究

激光释放材料对激光能量的吸收使得激光释放过程中键的断裂能够最小化重构晶片和玻璃载片之间的粘结。

最近，台湾阳明交通大学等单位的研究人员对RDL-first和die-first FOWLP的可键合激光释放材料的选型进行了全面评价。根据它们在355 nm处的吸收系数，确定了四种激光释放材料。这四种材料都在350℃以上具有热稳定性，在Ti/Cu层上的剥离粘合力大于8 psi，证实了其在FOWLP中的兼容性。为了进一步评估这些材料，研究人员使用聚焦离子束（FIB）检查了单脉冲激光烧蚀区域的轮廓，确保355 nm激光能量的自由穿透。使用指定的芯片键合测试装置，可在低于200℃的温度下实现键合，在塑封前后实现小于1.5 μm的芯片偏移和小于0.02°的旋转。此外，该材料需要小于3 W的激光能量进行激光释放。这种可键合的激光释放材料消除了传统工艺流程中对固晶材料的需求，有助于开发经济高效的FOWLP。相关研究内容以“Study of Bondable Laser Release Material Using 355 nm Energy to Facilitate RDL-first and Die-first Fan-Out Wafer-Level Packaging (FOWLP)”发表于IEEE Trans. Comp. Packag. Man. Tech.上。

图7. 利用激光烧蚀饱和区分离重构晶片与玻璃载片的激光释放结果

论文链接：DOI: 10.1109/TCPMT.2022.3156730

2、IEEE Trans. Comp. Packag. Man. Tech.：通过180℃超低温下无树脂纳米银浆烧结实现大面积键合

纳米银浆具有优良的散热性能和高温可靠性，是最有潜力的热界面材料之一。

最近，天津大学等机构的研究人员为了实现优异的界面散热，通过在界面处使用额外的松油醇溶剂，提高了银纳米颗粒（Ag NPs）在器件金属化和额外扩散通道中的扩散率，成功实现了这种新型纳米银浆在超低温（180℃）下的大面积（≥400 mm2）烧结。在≤5 MPa的辅助压力下，可实现剪切强度大于500 kgf，稳态热阻为0.273℃/W的强接合，接近于在>250℃下烧结的传统纳米银接头。由于松油醇溶剂增加了扩散流动性以及更快速的扩散通道，更多银纳米颗粒可扩散到芯片金属化，从而大大改善界面处的结合，在低烧结温度下实现大面积键合。该研究论文以“Large-Area Bonding by Sintering of A Resin-Free Nanosilver Paste at Ultra-Low Temperature of 180℃”发表于IEEE Trans. Comp. Packag. Man. Tech.上。

图8. 烧结过程中的界面扩散示意图

论文链接：DOI: 10.1109/TCPMT.2022.3159033

3、Polym. Degrad. Stabil.：氮杂环/磷杂菲衍生物作为反应性添加剂同时改善环氧树脂的阻燃性、机械性能和介电性能

人们为了解决环氧树脂（EP）材料的易燃性，已开发出各种方法并取得成功应用，但EP阻燃性的提高往往伴随着玻璃化转变温度（Tg）和机械性能的恶化。

最近，武汉纺织大学的研究人员合成了一种被称作TBO的含磷三唑衍生物，并将其连接到环氧树脂骨架中，制备得到了具有良好综合性能的EP复合材料。当磷含量为0.75 wt%时，0.75-TBO/EP复合材料达到V-0等级，极限氧指数为33%。1.0-TBO/EP复合材料也具有V-0等级，峰值放热率降低了37.6%。此外，0.75-TBO/EP复合材料的拉伸强度和抗弯强度分别从EP的59 MPa和134 MPa提高到63.9 MPa和146 MPa。同时，与EP相比，TBO/EP的Tg值也得到了一定程度的提高。这种TBO改性的环氧树脂具有很强的力学性能、较高的Tg和优异的阻燃性能，表现出很强的应用潜力。该研究工作以“A nitrogen heterocyclic/phosphaphenanthrene derivative as a reactive additive for simultaneous improvement of flame retardancy, mechanical and dielectric properties of epoxy resins”发表于Polym. Degrad. Stabil.上。

图9. TBO/EP复合材料的拉伸强度和抗弯强度

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2022.109909

6 材料原位表征

1、Comp. Sci. Tech.：用同步辐射X射线计算机断层扫描技术在纳米尺度上原位观察碳纤维/环氧复合材料在混合模式下的损伤形成

碳纤维增强塑料（Carbon fiber-reinforced plastics，CFRP）中的纳米尺度断裂机制仍然存在争议，因为使用基于侧面和断裂面观察的传统技术（如光学和/或电子显微镜）来确定三维断裂机制相当困难。

最近，日本高能加速器研究机构（KEK）等单位的研究人员通过使用无损纳米级同步辐射X射线计算机断层扫描（nanoscopic SR X-CT）原位表征了混合模式（模式I+II）加载下的微观损伤，如纤维/基体脱粘和微裂纹。研究结果表明，裂纹的形成分为三个步骤：（i）在碳纤维/环氧树脂基体界面处开始；（ii）扩展到环氧树脂中；（iii）在树脂基体中形成微裂纹（分叉），由此产生的纳米级裂纹微结构在很大程度上受局部纤维几何分布的影响。在“薄”环氧树脂区域（厚度<碳纤维直径dCF的一半）开始出现尖锐而直的界面裂纹，并沿碳纤维/环氧树脂界面扩展。尖锐裂纹在“厚”环氧区域（厚度>1/2 dCF）传播到环氧基体中，在垂直于局部主拉应力方向的树脂基体中形成分叉。Nanoscopic SR X-CT提供了变形过程中纳米级三维机制的信息，这对于理解CFRP等异质材料具有重要价值。该研究工作以“Nanoscale in situ observation of damage formation in carbon fiber/epoxy composites under mixed-mode loading using synchrotron radiation X-ray computed tomography”发表于Comp. Sci. Tech.上。

图10. 用同步辐射X射线计算机断层扫描技术在纳米尺度上原位观察碳纤维/环氧复合材料在混合模式下的损伤形成

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2022.109332

文字 | 战略研究办

编辑 | 宣传办