随着电子设备向小型化、集成化和极端环境适应性发展，聚合物介电材料面临能量密度与导热性能的双重瓶颈。传统双向拉伸聚丙烯介电常数（≈2.2）和玻璃化转变温度（≈105℃）偏低，而聚酰亚胺（PI）等芳香族聚合物虽耐高温（Tg≈210℃），却因π-π共轭体系导致带隙窄（≈3.2 eV）、介电常数低且导热性差（<0.5 W/(m·K)）。这导致电容器在高温下易发生热积累，加速老化并引发热击穿。现有技术（多相复合、多层结构、分子工程）均难以协同提升介电与热管理性能（图1a）。
北京化工大学李晓锋教授、中国科学院化学所高福临合作团队提出“异质界面增强-双填料协同”策略，成功制备出PI/羟基化氮化硼纳米片（BNNS）/还原氧化石墨烯（rGO）复合薄膜。该材料在1 kHz下介电常数达12.6，导热系数高达13.6 W/(m·K)，击穿强度达440 kV/mm，150℃下放电能量密度达4.6 J/cm³且充放电效率超90%，综合性能超越现有聚合物介电材料（图1b-e）。
图1 a) 不同类型介电薄膜的性能缺陷对比及本工作的优势（T-S代表热稳定性） b) 本工作制备介电薄膜的导热系数，展示其优异导热性 c) 各类复合薄膜导热系数值对比，突显热性能差异 d) 不同介电薄膜导热系数与介电性能综合对比，展现二者平衡性 e) 各类介电薄膜储能性能对比，强调本工作实现的存储能力提升
超薄BNNS制备与功能化
通过三步法（高温处理→液相超声剥离→梯度离心）制备大尺寸（≈2 μm）超薄羟基化BNNS（≈10层）。XPS与FTIR证实其表面成功引入–OH和–NH基团（图2g-j），亲水性接触角从107.7°降至50.6°。分子模拟显示羟基化BNNS与水分子结合能（-148.98 kJ/mol）比原始氮化硼提升63.9%（图2l），为均匀分散奠定基础。
图2 a) BNNS合成的三步剥离改性工艺示意图 b) 单个BNNS的SEM图像（插图：原始h-BN的SEM图像） c) BNNS薄片的AFM形貌及对应厚度曲线（插图） d) BNNS纳米片TEM显微图（插图：显示原子层的高倍TEM图像） e) 揭示BNNS晶格结构的HRTEM图像 f) h-BN与BNNS的XRD谱图对比（插图：放大的（002）衍射峰） g) h-BN与BNNS的XPS全谱（插图：高分辨率O 1s谱） h) BNNS的B 1s和i) N 1s核能级解卷积XPS谱 j) h-BN与功能化BNNS的FTIR光谱对比 k) h-BN和BNNS在水中的时间依赖性沉降行为及对应丁达尔效应 l) h-BN与BNNS的水分子结合能差异计算
复合薄膜结构与力学性能
采用原位聚合法将BNNS与氧化石墨烯（GO）分散于PI基体（图3a）。DFT计算揭示界面作用机制：BNNS-PI氢键结合能-22.53 kJ/mol，BNNS-rGO通过氢键与π-π共轭达-49.73 kJ/mol（图3b）。剪切力诱导填料定向排列形成致密珍珠层结构（图3f-g），使薄膜厚度均一（≈10.7 μm）且无团聚。当GO含量1.25 wt%、BNNS 30 wt%时，拉伸强度达91.4 MPa（图3i），可承受1 kg负载（图3j）。
图3 a) PI纳米复合薄膜制备流程图 b) BNNS、rGO和PI的表面静电势分布及各组分间结合能计算 c) PI与PI纳米复合薄膜的光学照片 d) PI/rGO/BNNS复合薄膜截面SEM图像 e) PI/rGO/BNNS复合薄膜表面SEM图像 f,g) PI/rGO/BNNS复合薄膜中致密层状结构的截面SEM图像 h) 纯PI与PI/rGO/BNNS复合薄膜的FTIR光谱 i) PI/rGO/BNNS复合薄膜拉伸强度与杨氏模量随填料负载量变化 j) 柔韧性验证：PI/rGO/BNNS薄膜承受折叠与1 kg负载
介电性能优化机制
BNNS的宽带隙特性抑制漏电流（介电损耗<0.02），而rGO通过三重效应提升介电常数：1）残余含氧基团增强偶极极化；2）接近渗流阈值时形成界面电荷存储；3）BNNS/rGO交替层状结构扩大界面极化面积（图4d）。最佳配比（PI-1.25GO-30BNNS）在150℃下击穿强度达403.4 kV/mm，较纯PI提升67.9%，放电能量密度达4.6 J/cm³（图4i）。
图4 a) PI及PI/BNNS复合材料在25°C下的频率依赖性介电常数（随BNNS含量变化） b) PI及PI/BNNS复合材料在25°C下的频率依赖性介电损耗 c) 初始GO含量对PI及PI/rGO/BNNS薄膜在25°C下介电常数频率依赖性的影响 d) PI/rGO/BNNS薄膜极化强度增强与电绝缘机制示意图 e) 不同GO含量PI/rGO/BNNS薄膜在25°C（1 kHz）下的电导率 f) GO含量增加时PI/rGO/BNNS薄膜在25°C下的频率依赖性介电损耗 g) 150°C下PI及优化填料含量PI纳米复合材料的威布尔击穿强度 h) 150°C下PI及PI/rGO/BNNS在施加电场下的电流密度变化 i) 400 kV/mm电场下PI/rGO/BNNS纳米复合材料在150°C的放电能量密度与充放电效率
热管理性能优势
BNNS构建主导热通路，rGO充当“面-面”热桥（图5e）。当BNNS含量30 wt%时导热系数达10.8 W/(m·K)（纯PI的47倍），添加1.25 wt% GO后升至13.6 W/(m·K)（图5b）。有限元分析显示：双填料体系温度分布更均匀（图5f），200℃时仍保持8.1 W/(m·K)导热率（图5g）。红外热成像证实其快速散热能力：覆有复合薄膜的陶瓷板比纯PI覆盖时降温速度快3倍（图5h-i）。
图5 a) PI/BNNS纳米复合材料（1 wt% GO）导热系数随BNNS含量变化 b) PI/rGO/BNNS纳米复合材料（30 wt% BNNS）导热系数随GO含量变化 c) PI-1.25GO-30BNNS纳米复合材料中不同横向尺寸GO片的导热系数 d) PI-1.25GO-30BNNS纳米复合材料中不同横向尺寸BNNS的导热系数 e) PI纳米复合薄膜导热增强机制：填料含量与横向尺寸的作用 f) PI/h-BN与PI/rGO/BNNS复合薄膜的2D有限元模型及相同热梯度下表面温度分布 g) PI-1.25GO-30BNNS纳米复合材料在不同温度下的导热系数 h) 陶瓷板分别使用空气、PI薄膜和PI-1.25GO-30BNNS薄膜散热的表面温度-时间曲线 i) 空气、纯PI薄膜与PI-1.25GO-30BNNS薄膜散热性能的红外热成像对比
应用前景展望
该研究突破了聚合物-无机纳米复合材料中介电与热性能的权衡限制，无需复杂多层结构或精密分子工程即可实现协同增强。所开发的薄膜为高功率微电子、电动汽车脉冲电源系统及智能电网提供了兼具高储能密度和高效热管理能力的解决方案，有望显著提升极端环境下电子器件的可靠性与寿命。