高介電聚芳醚腈基復合材料的制備與性能.pdf

1、電容器是電子行業(yè)的一個最基本而又非常重要的電子元件。近年來，電子電器領域對輕量化以及高儲能密度電容器的需求日益提高。電容器的基本材料為高介電材料，所以開發(fā)新型高介電材料是制備高儲能密度電容器的關鍵。和普通陶瓷電容器里的高介電陶瓷相比，聚合物基電介質擁有較低的質量比但是介電常數往往較低。最理想的方式是在聚合物基體中加入高介電陶瓷或者導電填料開發(fā)聚合物基復合材料，從而實現優(yōu)勢互補，得到的既有良好的韌性同時兼具輕量化的高介電復合材料。聚芳醚腈

2、(PEN)擁有幾乎媲美聚酰亞胺的耐熱性以及韌性，此外介電常數根據不同結構在3.5-4.5之間，介電損耗在0.01-0.02之間。本課題首先在實驗室合成出非結晶型的酚酞對苯型聚芳醚腈以及結晶型的聯(lián)苯二酚型聚芳醚腈。再以聚芳醚腈為基體，通過添加不同介電常數的無機陶瓷填料制備二組分復合材料、添加導電的碳納米管通過單向熱拉伸制備二組分復合材料、同時添加無機陶瓷和碳納米管制備三組分復合材料和鈦酸鋇@碳納米管核殼結構三組分復合材料。研究了以上幾種不

3、同類型填料對PEN的形貌、熱學性能、力學性能以及介電性能的影響。
　?。?）首先通過親核取代反應合成出無定型的酚酞對苯型聚芳醚腈。以酚酞對苯型聚芳醚腈為基體樹脂，選擇具有高介電常數的二氧化鈦(TiO2)、納米鈦酸鋇（BaTiO3）和鈦酸銅鈣(CCTO)作為高介電無機填料。采用側鏈帶羧基的聚芳醚腈對二氧化鈦TiO2、BaTiO3和CCTO表面進行有機改性，包裹上一層羧基型聚芳醚腈（PEN-COOH），通過分析發(fā)現羧基型聚芳醚腈成功包

4、裹在無機填料表面，形成一層核殼結構的粒子。再通過溶液流延成膜法，將改性后的上述無機填料添加到聚芳醚腈中制備PEN/TiO2、PEN/BaTiO3和PEN/CCTO三種二組分復合材料。然后對PEN/TiO2、PEN/BaTiO3和PEN/CCTO復合材料的形貌、力學、熱學、介電性能分別進行表征。通過對比介電性能發(fā)現，PEN/BaTiO3復合材料在三種復合材料中擁有最高的介電常數。因此，選擇納米BaTiO3作為后續(xù)研究對象制備三組分復合材料

5、和核殼結構填料復合材料。
　?。?）首先將將酸化后的多壁碳納米管(MWCNT)添加到無定型酚酞對苯型聚芳醚腈基體中，制備得到PEN/MWCNT復合材料薄膜。其中碳納米管含量分別為2wt％、4wt%、6wt%、8wt%和10wt%。研究發(fā)現加入碳納米管含量為6wt%時復合材料擁有較高的介電常數，但是復合材料電導率較高。之前有報道發(fā)現復合材料的介電性能可以通過熱拉伸進行調控。而結晶型聚芳醚腈相對于無定型聚芳醚腈更適宜做熱拉伸處理。選用

6、結晶型的聯(lián)苯二酚型聚芳醚腈為基體。將酸化后的多壁碳納米管(MWCNT)添加到結晶性的聯(lián)苯二酚型聚芳醚腈基體中，制備得到碳納米管含量為6wt%的PEN/MWCNT復合材料薄膜。然后將復合材料薄膜裁剪為細條狀，放入高溫烘箱里對樣品進行單向熱拉伸，樣品拉伸倍率分別為50%、100%、200%和400%。研究發(fā)現，單向熱拉伸被證明是用以提高PEN/MWCNT復合材料的力學性能和儲能密度最為行之有效的方法。復合材料拉伸倍率為50%時，儲能密度增加

7、了40%。
　?。?）以酚酞對苯型聚芳醚腈為基體樹脂，同時填充納米BaTiO3無機陶瓷和MWCNT。為了便于研究，固定BaTiO3含量為20wt%,以MWCNT為單一變量。通過溶液溶液共混以及溶液流延成膜法制備了同時含有無機陶瓷以及導電碳納米管的PEN/BaTiO3/MWCNT三組分復合材料。其中MWCNT的質量分數分別為0.5wt%、1.0wt%、1.5wt%和2.0wt%。詳細研究了在改變MWCNT含量的條件下，復合材料介電性

8、能的變化。發(fā)現PEN/BaTiO3/MWCNT三組分復合材料保留了聚合物的優(yōu)異的力學性能和熱學性能以及提高了介電性能。
　?。?）通過溶劑熱法，在晶化釜里制備出了核殼結構的BaTiO3@MWCNT納米管狀復合材料。其中多壁碳納米管為核，鈦酸鋇為殼，質量比為mBaTiO3：mMWCNT=10:1。然后將BaTiO3@MWCNT添加到酚酞對苯型聚芳醚腈樹脂基體中，通過溶液流延成膜法制備出了PEN/BaTiO3@MWCNT三組分復合材料