芳纶纸凭借其轻质结构、机械强度及优异的介电性能，被广泛应用于电子设备与高压设备的绝缘系统。然而，其固有的低导热性限制了在现代高功率系统中的应用。传统掺杂共混法常导致填料-基体界面质量不佳，严重制约导热性能提升的同时，还会恶化其他材料特性。因此，如何在保留芳纶绝缘纸优异力学及介电性能的同时，高效提升其热导率，已成为现代功率器件研发中的重要课题。
近日，四川大学贾申利教授团队任俊文副研究员和华北电力大学查俊伟教授在《Advanced Science》期刊上发表了一项重磅研究成果“Plasma-Modified Boron Nitride Nanosheets for High-Performance Aramid-Based Dielectric Films with EnhancedMultifunctionality”。团队创新地采用等离子体表面处理，实现了氮化硼纳米片（BNNS）的氨基功能化（BNNS-NH2），改善了其与芳纶纳米纤维（ANF）之间的界面相互作用。同时，引入蚕丝蛋白（SK）作为分子粘合剂，通过自组装过程构建出仿生珍珠母结构。强界面相互作用与三维氢键网络的协同效应赋予复合薄膜卓越的导热性（13.89 Wm-1K-1）、优异的抗拉强度（307.08 MPa）以及出色的耐热性和长期服役稳定性。此外，高度有序的“砖-泥”结构实现了超高击穿强度（最高至430 kVmm-1）和低介电损耗。
图1 ANF/SK/BNNS-NH2复合薄膜的制备流程
BNNS-NH2通过离子插层辅助剥离和等离子体表面处理成功制备。TEM显示（图1b）剥离制备的BNNS具有典型的超薄、透明且少层的结构。XPS（图1c）联合FT-IR共同证明了氨基成功在BNNS表面接枝。ANF通过去质子化处理制备，直径约为20nm，具有典型的大长径比结构。采用真空辅助自组装协同热压处理，制备了具有仿珍珠母结构的复合薄膜。BNNS-NH2、SK、ANF共同构筑的三维氢键网络（图1g）大幅提升了界面相互作用，实现了电、热、力学性能的高效集成和协同提升。
图2 ANF/SK/BNNS-NH2复合薄膜的力学性能
薄膜具备有序的仿珍珠母“砖-泥”结构，其中ANF/SK网络作为“泥”，BNNS-NH2作为“砖块”交织堆叠（图2d）。FT-IR显示（图2f），BNNS-NH2与ANF/SK之间产生了氢键相互作用，进一步密实了三维氢键网络。复合薄膜的机械性能在5 wt% BNNS-NH2浓度时达到峰值，拉伸强度为335.72 MPa，断裂延伸率为23.92%，韧性为55.29 MJ/m3。尽管BNNS-NH2含量过高时，填料聚集导致机械性能下降，但得益于内部丰富的三维氢键网络，复合薄膜仍能保持较高的拉伸强度。与之前报道的芳纶基复合薄膜相比，该研究中的复合薄膜展示了更优越的机械性能。
图3 ANF/SK/BNNS-NH2复合薄膜的导热性能
复合薄膜的热导率随着BNNS-NH₂浓度增加显著提高，40 wt% BNNS-NH2时，热导率达到13.89 Wm-1K-1，比ANF/SK薄膜提高207.30%（图3a）。这一提升主要归因于两个因素：首先，BNNS-NH₂在薄膜中的水平排列构建了连续的声子传输路径；其次，氨基功能化增强了BNNS-NH2与ANF/SK基体之间的氢键作用，有效降低了界面热阻（图3d）。改进的Maxwell-Garnett和Bruggeman模型计算结果也证明了这一点，经等离子处理后，复合薄膜的界面热阻大幅降低（图3c）。有限元仿真结果显示，ANF/SK/BNNS-NH2薄膜相比ANF/BNNS-NH2薄膜，填料间热流密度显著提升，稳态运行温度降低，表现出优异的导热性能（图3e）。
图4 ANF/SK/BNNS-NH2复合薄膜的绝缘特性
图5 击穿路径在ANF/SK/BNNS-NH2复合薄膜内部发展过程的有限元模拟
高介电强度的BNNS-NH2的引入进一步增强了复合薄膜的击穿强度（图4a），与纯ANF薄膜（236.3 kVmm-1）相比，10wt%填料含量下的复合薄膜击穿强度提高了81.97%（430 kVmm-1）。有序堆叠的“砖-泥”结构有效抑制了击穿路径的传播，并通过多方向分支结构缓解了局部电场集中。热刺激去极化电流（TSDC）分析表明（图4e），BNNS-NH2的在复合薄膜内部引入了深陷阱，可有效捕获载流子并抑制其迁移。有限元仿真揭示（图5），BNNS-NH2的引入使击穿路径从单一方向转为分支状，有效耗散了电场能量，使复合薄膜具备更高的击穿强度。
图6 ANF/SK/BNNS-NH2复合薄膜的服役特性
红外热成像结果显示，与纯ANF薄膜相比（图6a,b），ANF/SK/BNNS-NH₂复合薄膜在相同填料含量下（40 wt%）具有更低的热点温度，表明其具有良好的散热性能。加速热老化试验表明（图6c-e），经过130℃加速老化30天后，ANF/SK/BNNS-NH2复合薄膜的拉伸强度和击穿强度保持显著优于商用NHN绝缘纸，表现出优越的热老化抗性。这些结果证明，ANF/SK/BNNS-NH₂复合薄膜具有出色的热稳定性和抗老化性能，在高性能功率器件的绝缘及封装领域应用潜力巨大。
论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202516944
人物简介：
任俊文，四川大学电气工程学院，副研究员/博士生导师，以第一作者或通讯作者发表SCI论文50余篇，主持多项国家/省部级项目，多年来专注先进电工材料（导热绝缘电介质、芳纶/纤维素绝缘纸、高性能环氧树脂等）的开发及其在能源电工装备中的应用。
