Según un equipo de científicos de Penn State, se ha demostrado experimentalmente que un nuevo material compuesto liviano para el almacenamiento de energía en electrónica flexible, vehículos eléctricos y aplicaciones aeroespaciales almacena energía a temperaturas de funcionamiento muy superiores a los polímeros comerciales actuales.El material ultrafino se puede producir utilizando técnicas ya utilizadas en la industria.
"Esto es parte de una serie de trabajos que hemos realizado en nuestro laboratorio sobre dieléctricos de alta temperatura para su uso en condensadores", dijo Qing Wang, profesor de ciencia e ingeniería de materiales, Penn State. "Antes de este trabajo que habíamos desarrolladoun compuesto de nanohojas de nitruro de boro y polímeros dieléctricos, pero se dio cuenta de que había problemas significativos con la ampliación de ese material de forma económica ".
La escalabilidad, o la fabricación de materiales avanzados en cantidades comercialmente relevantes para dispositivos, ha sido el desafío decisivo para muchos de los nuevos materiales bidimensionales que se desarrollan en laboratorios académicos.
"Desde una perspectiva de materiales blandos, los materiales 2D son fascinantes, pero la forma de producirlos en masa es una pregunta", dijo Wang. "Además, poder combinarlos con materiales poliméricos es una característica clave para futuras aplicaciones electrónicas flexibles y electrónicasdispositivos "
Para resolver este problema, el laboratorio de Wang colaboró con un grupo en Penn State trabajando en cristales bidimensionales.
"Este trabajo fue concebido en conversaciones entre mi estudiante graduado, Amin Azizi, y el estudiante graduado del Dr. Wang, Matthew Gadinski", dijo Nasim Alem, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales y miembro de la facultad en el Centro Penn State para 2-Materiales dimensionales y en capas: "Este es el primer experimento robusto en el que un material polimérico blando y un material cristalino 2D duro se han unido para crear un dispositivo dieléctrico funcional".
Azizi, ahora becario postdoctoral en la Universidad de California - Berkeley, y Gadinski, ahora ingeniero senior en DOW Chemical, desarrollaron una técnica que usa la deposición química de vapor para hacer películas de nanocristales de nitruro de boro hexagonal de múltiples capas y transferir las películasa ambos lados de una película de polieterimida PEI. Luego unieron las películas juntas usando presión en una estructura tipo sándwich de tres capas. En un resultado que fue sorprendente para los investigadores, la presión sola, sin ningún enlace químico, fue suficiente para hacer unpelícula independiente lo suficientemente fuerte como para ser potencialmente fabricada en un proceso de rollo a rollo de alto rendimiento.
Los resultados se informaron en un número reciente de la revista Materiales avanzados en un documento titulado "Polímeros de alto rendimiento intercalados con nitruros de boro hexagonales depositados por vapor químico como materiales dieléctricos de alta temperatura escalables"
El nitruro de boro hexagonal es un material de banda ancha con alta resistencia mecánica. Su banda ancha lo convierte en un buen aislante y protege la película de PEI de la ruptura dieléctrica a altas temperaturas, la razón de la falla en otros condensadores de polímero. A temperaturas de funcionamientopor encima de 176 grados Fahrenheit, los mejores polímeros comerciales actuales comienzan a perder eficiencia, pero el PEI recubierto con nitruro de boro hexagonal puede operar con alta eficiencia a más de 392 grados Fahrenheit. Incluso a altas temperaturas, el PEI recubierto permaneció estable durante más de 55,000 cargas-ciclos de descarga en pruebas.
"Teóricamente, todos estos polímeros de alto rendimiento que son tan comercialmente valiosos pueden recubrirse con nanohojas de boro para bloquear la inyección de carga", dijo Wang. "Creo que esto hará que esta tecnología sea factible para una futura comercialización".
Alem agregó: "Hay muchos dispositivos fabricados con cristales 2D a escala de laboratorio, pero los defectos los convierten en un problema para la fabricación. Con un material de banda ancha grande como el nitruro de boro, hace un buen trabajo a pesar de las pequeñas características microestructurales que podríanno sea ideal "
Los cálculos de los primeros principios determinaron que la barrera de electrones, establecida en la interfaz de la estructura PEI / hexagonal de nitruro de boro y los electrodos metálicos aplicados a la estructura para suministrar, la corriente es significativamente más alta que los contactos típicos de electrodos de metal-polímero dieléctrico, haciendoes más difícil que las cargas del electrodo se inyecten en la película.Este trabajo fue realizado por el grupo de investigación teórica de Long-Qing Chen, profesor de Ciencias e Ingeniería de Materiales de Donald W. Hamer, profesor de ciencias de la ingeniería y mecánica, y matemáticas., Penn State.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Estado Penn . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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