创新性h-BN封装技术提升石墨烯织物稳定性

研究人员针对石墨烯包覆玻璃纤维织物（GGFF）在应用中面临的环境敏感性和机械形变下电学性能不稳定的问题，提出了一种创新的共形封装技术。传统整体封装方法虽能保护石墨烯器件免受水汽、氧气等环境影响，但会显著增加体积、牺牲材料固有的柔性和结构优势，且无法解决GGFF内部纤维间接触电阻波动导致的电导失稳。该团队开发了原位化学气相沉积（CVD）技术，直接在GGFF的每根纤维表面生长高质量、厚层六方氮化硼（h-BN），实现了紧密贴合的封装。这一突破克服了在非催化性玻璃纤维基底上大面积制备均匀h-BN薄膜的难题，通过高分辨透射电镜（HR-TEM）和元素分析（EDS）证实，h-BN层（约27层，厚8.9 nm）与石墨烯（约2层，厚1.0 nm）形成清晰的层状结构，并在三维织物结构中均匀覆盖。

该封装技术带来多重性能提升：在电学稳定性方面，h-BN层作为绝缘屏障有效阻隔了纤维间的随机电接触，消除了压力或形变引发的接触电阻波动。实验显示，在弯曲、按压或振动形变下，h-BN/GGFF的电阻变化可忽略不计（ΔR < 1%），而未封装的GGFF电阻波动超过200 Ω。在机械性能上，封装后的织物弯曲长度保持约52 mm，与原始GGFF一致，显著优于聚酰亚胺（PI）整体封装（弯曲长度增至98 mm），完美保留了织物的柔韧性和编织结构。在环境稳定性方面，厚层h-BN（≥15.3 nm）提升了材料疏水性（接触角从71.9°增至113.1°），形成迷宫效应阻断水分子渗透，从而有效抑制了空气中水汽吸附引起的石墨烯P型掺杂。暴露168小时后，GGFF电阻下降超100 Ω，而h-BN/GGFF变化甚微；XPS和拉曼光谱进一步证实h-BN层阻止了碳氧键形成及特征峰偏移。此外，h-BN显著增强了高温抗氧化能力：500℃大气环境中，未封装GGFF电热器件在数秒内因局部氧化引发连锁失效，而h-BN/GGFF（50.4 nm厚）的工作寿命延长至5小时，失效传播速度降低约4个数量级（从1.4 cm/s降至3.5×10⁻⁴ cm/s）。

应用验证表明，h-BN/GGFF电热器件兼具高稳定性和快速响应特性。其在弯曲120°时仍保持均匀温度分布，升温速率可达174.6 °C/s，并在1000次电热循环后性能无衰减。该共形封装策略具有普适性，可扩展至其他二维材料（如MoS₂、WS₂）及复杂器件结构，为开发适用于严苛环境的可靠柔性电子器件提供了新途径，解决了传统封装无法兼顾结构完整性与功能稳定性的核心矛盾。