Fatigue‐Resistant Mechanically Interlocked Co‐Crosslinked Polyimide Films for Reliable High‐Temperature Capacitive Energy Storage

材料科学 复合材料 电介质 聚酰亚胺 极限抗拉强度 聚合物 模数 动态力学分析 压力(语言学) 介电强度 电容感应 纳米尺度 机械负荷 工作(物理) 热的 热导率 机械能 热膨胀 单体 循环应力 热阻 弹性模量 拓扑(电路) 制作 热机械分析 悬臂梁 互连 柔性电子器件
作者
Xiaoyu Yin,Donghui Li,Zhuang Nie,Xinyu Chen,Yi Wang,Kun Fan,Xiangyang Liu,Xu Wang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.78956
摘要

ABSTRACT During long‐term operation, repeated thermal expansion and contraction inevitably generate cyclic thermal stresses that cause dielectric film buckling, cracking, and eventual device failure. As promising candidates for next‐generation dielectric films, polyimides (PIs) are therefore required to combine high energy‐storage performance with mechanical fatigue resistance under coupled thermal, electrical, and mechanical stresses. Here, we report a mechanically interlocked crosslinked topology designed to meet this requirement. A maleimide‐functionalized crown ether monomer (CM) forms mechanically interlocked junctions with PI chains, while co‐crosslinking with a bismaleimide monomer (SiMI) extends these junctions into a three‐dimensional network and creates nanoscale multiphase interfaces through SiMI self‐crosslinking. This topology improves high‐temperature energy‐storage performance and imparts strong mechanical integrity to the PI films, especially resistance to mechanical fatigue. Dielectric‐optimized PI‐CM0.75‐M7.5 achieves a breakdown strength of 600 MV/m at 200°C and maintains η ≥ 90% up to 450 MV/m. Mechanically optimized PI‐CM0.25‐M2.5 shows a Young's modulus of 2.9 GPa and a stable cyclic mechanical response, with only 5.8% stress decay after 50 tensile loading‐unloading cycles and a peak stress that approaches a plateau during cycling. This work provides a topology‐guided strategy for balancing thermal stability, high‐temperature dielectric energy storage, and cyclic mechanical reliability in polymer dielectrics.
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