高介电常数低介电损耗新型陶瓷杂化碳纳米管及其环氧树脂基复合材料的研究

【摘要】具有高介电常数的新型介电材料在信息技术、微电子、电力工程、国防科技等领域具有重要的应用前景，因此引起人们的广泛关注。目前制备高介电常数材料的主要方法为将导体或介电陶瓷等功能体加入聚合物基体中制成复合材料。但是导体/聚合物复合材料和介电陶瓷/聚合物复合材料各具特色，前者主要是当导体的添加量达到渗流阈值时，材料可以得到很高的介电常数，但同时也具有很高的介电损耗，这不仅会造成能源的浪费，并且也将缩短设备的使用寿命。而介电陶瓷/聚合物复合材料要获得高介电常数一般应加入高含量的介电陶瓷，不利于加工，并可能降低材料的柔性和机械性能。因此，人们开始研制导体/介电陶瓷/聚合物三元复合材料，以期集成两类二元复合材料的优势。近年来，如何通过设计新颖的三元复合材料来研制具有高介电常数、低介电损耗树脂基复合材料成为摆在目前的一个有趣而极富挑战性的课题。本文即是围绕这个课题展开。首先，采用简单的方法合成了一种新型混杂功能体（LTNOx-CNT），通过在碳纳米管（CNT）表面接枝纳米级的锂钛掺杂的氧化镍（LTNO）得到。这种混杂功能体不是经过简单的物理共混得到，而是两种无机粒子之间用化学键相连，此举不但能有效地将两种不同的无机粒子有机地粘结成一个整体的功能体，更有趣的是无机粒子表面的有机基团能辅助无机粒子与聚合物基体良好地结合，减少相界面之间的空洞。值得一提的是，接枝于CNT表面的纳米陶瓷LTNO能有效隔绝CNT的相互接触，改善其在树脂基体中的分散性，因而有利于制备具有高介电常数、低介电损耗的复合材料。在此基础上，制备了LTNOx-CNT/环氧（EP）树脂复合材料。为了评价LTNOx-CNT的功能以及LTNO与CNT的相互作用及其效应，同时分别研究了酸化的碳纳米管（aCNT）/EP、LTNO/CNT/EP和LTNO/EP复合材料的介电性能。研究结果表明，aCNT用量为0.5wt%，接枝所用的LTNO量也为0.5wt%时，得到的复合材料中CNT的分散性得到良好改善；与aCNT0.5/EP复合材料相比，1Hz时该复合材料的介电常数由570上升至779，介电损耗从1440降至0.981；介电性能大幅提高的原因在于LTNO对CNT的接枝有良好的空间阻隔效应，从而改善了CNT的分散性；而隔离的CNT在基体中形成的微电容数激增导致复合材料介电常数提高，同时表面的LTNO陶瓷粒子减少了CNT直接连接而造成高的介电损耗。对复合材料的复合阻抗谱进行了模拟，得到了拟合性最佳的等效电路，并由此解释了LTNOx-CNT/EP复合材料中CNT的分散性对材料介电性能的影响。LTNOx-CNT/EP复合材料的突出介电性能表明本文提出的方法为高介电常数、低介电损耗材料的制备提供了新途径。最后，为进一步增加介电常数，利用微波固化中产生的能量能使环氧树脂快速固化而减少CNT的沉降的这个特点，设计了一种利用微波固化的m-LTNOx-CNT/EP树脂复合材料，同时分别研究了微波固化的对比材料m-aCNT/EP、m-LTNO/CNT/EP和m-LTNO/EP复合材料的介电性能。研究结果表明，在相同LTNO的添加量下，m-(LTNOx-CNT)0.5/EP的介电常数可提高到m-LTNOx/EP的26.5倍，而介电损耗仅提高了11.5倍，在相同aCNT的添加量下，m-(LTNOx-CNT)0.5/EP的介电常数可提高到m-aCNT0.5/EP的1.04倍，而介电损耗仅为m-aCNT0.5/EP的0.0076倍。说明使用LTNO接枝CNT后，在LTNO和CNT用量都较少的情况下，能使复合材料得到较高的介电常数，同时，其介电损耗也能维持较低的值。微波体系的介电性能的大幅提升不仅源于LTNO接枝于CNT表面后形成的空间阻隔效应，即接枝少量的LTNO陶瓷粒子能有效地降低CNT间的团聚，值得一提的是，微波固化使得环氧树脂快速固化而减少CNT沉降时间来改善CNT在基体中的分散性，大幅度提高复合材料中微电容数量的同时，通过屏蔽漏导电流、降低遂穿电流来降低介电损耗。
【作者】沈逸飞；
【导师】顾嫒娟；
【作者基本信息】苏州大学，材料学，2014，硕士
【关键词】介电常数；介电损耗；碳纳米管；环氧树脂；分散性；

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