高介電常數(shù)低介電損耗新型陶瓷雜化碳納米管及其環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的研究.pdf

1、具有高介電常數(shù)的新型介電材料在信息技術(shù)、微電子、電力工程、國防科技等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景,因此引起人們的廣泛關(guān)注。目前制備高介電常數(shù)材料的主要方法為將導(dǎo)體或介電陶瓷等功能體加入聚合物基體中制成復(fù)合材料。但是導(dǎo)體/聚合物復(fù)合材料和介電陶瓷/聚合物復(fù)合材料各具特色,前者主要是當(dāng)導(dǎo)體的添加量達(dá)到滲流閾值時,材料可以得到很高的介電常數(shù),但同時也具有很高的介電損耗,這不僅會造成能源的浪費,并且也將縮短設(shè)備的使用壽命。而介電陶瓷/聚合物復(fù)合材料要

2、獲得高介電常數(shù)一般應(yīng)加入高含量的介電陶瓷,不利于加工,并可能降低材料的柔性和機械性能。因此,人們開始研制導(dǎo)體/介電陶瓷/聚合物三元復(fù)合材料,以期集成兩類二元復(fù)合材料的優(yōu)勢。近年來,如何通過設(shè)計新穎的三元復(fù)合材料來研制具有高介電常數(shù)、低介電損耗樹脂基復(fù)合材料成為擺在目前的一個有趣而極富挑戰(zhàn)性的課題。本文即是圍繞這個課題展開。
　　首先,采用簡單的方法合成了一種新型混雜功能體(LTNOx-CNT),通過在碳納米管(CNT)表面接枝納米

3、級的鋰鈦摻雜的氧化鎳(LTNO)得到。這種混雜功能體不是經(jīng)過簡單的物理共混得到,而是兩種無機粒子之間用化學(xué)鍵相連,此舉不但能有效地將兩種不同的無機粒子有機地粘結(jié)成一個整體的功能體,更有趣的是無機粒子表面的有機基團能輔助無機粒子與聚合物基體良好地結(jié)合,減少相界面之間的空洞。值得一提的是,接枝于CNT表面的納米陶瓷LTNO能有效隔絕CNT的相互接觸,改善其在樹脂基體中的分散性,因而有利于制備具有高介電常數(shù)、低介電損耗的復(fù)合材料。
　　

4、在此基礎(chǔ)上,制備了LTNOx-CNT/環(huán)氧(EP)樹脂復(fù)合材料。為了評價LTNOx-CNT的功能以及LTNO與CNT的相互作用及其效應(yīng),同時分別研究了酸化的碳納米管(aCNT)/EP、LTNO/CNT/EP和LTNO/EP復(fù)合材料的介電性能。研究結(jié)果表明,aCNT用量為0.5 wt％,接枝所用的LTNO量也為0.5 wt％時,得到的復(fù)合材料中CNT的分散性得到良好改善;與aCNT0.5/EP復(fù)合材料相比,1 Hz時該復(fù)合材料的介電常數(shù)由

5、570上升至779,介電損耗從1440降至0.981;介電性能大幅提高的原因在于LTNO對CNT的接枝有良好的空間阻隔效應(yīng),從而改善了CNT的分散性;而隔離的CNT在基體中形成的微電容數(shù)激增導(dǎo)致復(fù)合材料介電常數(shù)提高,同時表面的LTNO陶瓷粒子減少了CNT直接連接而造成高的介電損耗。對復(fù)合材料的復(fù)合阻抗譜進(jìn)行了模擬,得到了擬合性最佳的等效電路,并由此解釋了LTNOx-CNT/EP復(fù)合材料中CNT的分散性對材料介電性能的影響。LTNOx-C

6、NT/EP復(fù)合材料的突出介電性能表明本文提出的方法為高介電常數(shù)、低介電損耗材料的制備提供了新途徑。
　　最后,為進(jìn)一步增加介電常數(shù),利用微波固化中產(chǎn)生的能量能使環(huán)氧樹脂快速固化而減少CNT的沉降的這個特點,設(shè)計了一種利用微波固化的m-LTNOx-CNT/EP樹脂復(fù)合材料,同時分別研究了微波固化的對比材料m-aCNT/EP、m-LTNO/CNT/EP和m-LTNO/EP復(fù)合材料的介電性能。研究結(jié)果表明,在相同LTNO的添加量下, m

7、-(LTNOx-CNT)0.5/EP的介電常數(shù)可提高到m-LTNOx/EP的26.5倍,而介電損耗僅提高了11.5倍,在相同aCNT的添加量下,m-(LTNOx-CNT)0.5/EP的介電常數(shù)可提高到m-aCNT0.5/EP的1.04倍,而介電損耗僅為m-aCNT0.5/EP的0.0076倍。說明使用LTNO接枝CNT后,在LTNO和CNT用量都較少的情況下,能使復(fù)合材料得到較高的介電常數(shù),同時,其介電損耗也能維持較低的值。微波體系的介