高介电常数低介电损耗新型聚苯胺/碳纳米管/环氧树脂复合材料的研究

【摘要】高介电常数导体/聚合物复合材料在尖端材料领域（电子元器件、机械工程、生物工程和能源等）中的巨大应用前景使其成为材料科学领域的热门话题，并受到越来越多的关注。然而根据渗流理论，当基体中导体含量在渗流阈值（fc）附近，复合材料获得高的介电常数的同时，会发生绝缘体向导体的转变而使得介电损耗激增。因此，如何降低介电损耗成为导体/聚合物复合材料的关键。目前，在导体外包覆聚合物是降低复合材料介电损耗的有效措施。然而，大幅度提高的渗流阈值（fc≥10wt%）和加工难度、急剧降低的热阻和机械性能、大幅度降低的单一电容储存电荷的能力，使得上述方案不能满足现代工业对材料的要求。因此，如何在保持导体/聚合物复合材料较高介电常数的基础上，极大地降低介电损耗并保证有较低的渗流阈值是当今高介电常数材料领域的重要研究课题。本文的研究内容就是基于以上问题展开的。首先，我们制备了具有独特结构的超支化聚苯胺（HSiPA），其兼具有超支化聚硅氧烷和聚苯胺的特性，即优异的电导率、较高的热稳定性和提高的溶解性。利用HSiPA的SP2杂化结构与多壁碳纳米管（MWCNTs）表面的共轭结构形成π-π作用实现HSiPA对MWCNTs的包覆，然后以其为填料加入到环氧树脂（EP）中，探讨了不同HSiPA包覆量下复合材料介电性能的变化。研究结果表明，复合材料的介电性能与HSiPA的包覆量密切相关，究其本质是因为随着HSiPA含量的提高，MWCNTs在基体中的分散性提高，而储存电荷的能力逐步降低；100Hz下HSiPA4/MWCNT0.5/EP三元复合材料的介电常数和介电损耗分别是MWCNT0.5/EP的7.1和4.3×10-3倍，渗流阈值仅1.26wt%。介电常数大幅度提高是因为包覆HSiPA提高了MWCNTs的分散性，使得单位体积内微电容数增加且界面极化作用增强；介电损耗降低是因为包覆层的存在切断了因MWCNTs相连而产生的漏电流。其次，为深层次地探讨包覆后三元复合材料优异介电性能的起源，我们合成了经封端处理的超支化聚苯胺（EHSiPA），利用π-π作用包覆MWCNTs，将其添加到EP中探讨介电性能的变化。研究结果表明，100Hz下EHSiPA3/MWCNT0.4/EP三元复合材料的介电常数和介电损耗分别是MWCNT0.4/EP的1.4和6.8×10-3倍；通过测定空间电荷分布，我们得知三元复合材料大幅度提高的介电常数归因于单位体积内微电容数的增加，而非较强的界面极化。最后，为在保持高介电常数、低介电损耗的基础上进一步降低复合材料的渗流阈值，从分子结构设计的角度出发，通过有机硅改性聚苯胺并水解合成了多支链聚苯胺（MSiPA），将其包覆在MWCNTs的外围，并用于EP制备了系列三元复合材料。研究结果表明，三元复合材料在获得优异介电性能的基础上，渗流阈值仅0.48wt%。大幅度降低的渗流阈值归因于MSiPA独特的共轭多支链结构和较低的空间位阻，聚苯胺链通过π-π作用能吸附在MWCNTs的外围，使得较少的用量即可分散大量的MWCNTs。
【作者】强志翔；
【导师】顾嫒娟；
【作者基本信息】苏州大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】碳纳米管；聚苯胺；分散性；复合材料；介电性能；

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