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碳纳米管/聚偏氟乙烯高介电纳米复合材料的显微结构控制与介电性能的关联

姚胜红  
【摘要】: 高介电常数聚合物基电介质材料无论是在电力工程还是在微电子行业都具有十分重要的作用,高介电常数材料的发展将成为制约电子器件微型化、高速化的关键因素。由于聚合物本身介电常数很小,为了提高介电常数,通常选取不同种类的填料与聚合物基体进行复合,比如:高介电的陶瓷粉末和导电性能良好的导电颗粒。碳纳米管作为导电填料,其较大的长径比和较高的电导率,使其成为提高复合材料介电常数的理想填料。 本文主要研究了以多壁碳纳米管为填料,聚偏氟乙烯为基体的纳米复合材料的制备,及其不同的显微结构与介电性能的关联。 首先在制备工艺的研究中,分别采用了溶液法、热台加热法、絮凝法、球磨法及挤出成型法制备了分散状态各异的纳米复合材料。发现溶液法制备的复合材料体系由于其特殊的片层结构显示了最低的渗流阈值(0.0077),而挤出成型法制备的复合材料由于碳纳米管在整个聚合物基体中实现了均匀分散而获得了最高的渗流阈值(0.072)。 对于利用逾渗效应提高介电常数的复合材料而言,填料的形状和尺寸会大大地影响复合材料的介电性能,因此本论文还研究了不同长径比的碳纳米管填充的复合材料体系渗流阈值及临界指数的变化规律。二者随着碳纳米管长径比的增加呈现了相同的变化趋势,即先增加后减小。而且长径比较大的碳纳米管体系在接近渗流阈值时显示出较高的介电常数。 第三,对于形变对材料介电性能的影响,本论文分别研究了材料拉伸至断裂时、拉伸至不同位移时及热拉伸时材料介电性能的变化。利用二阶张量对拉伸后样品中碳纳米管的取向状态进行了定量的表征,同时采用阻抗分析的方法对复合材料介质响应的物理意义进行了模拟,给出了体系对应的等效电路。 第四,为了降低MWNT/PVDF两相体系的介电损耗,并进一步提高复合材料的介电常数,本论文研究了第三相陶瓷颗粒的引入对复合材料电性能的影响。陶瓷颗粒钛酸钡的添加,促进了碳纳米管导电网络的形成,而含量进一步增加时,破坏导电通路的作用则变得明显,但可获得高介电常数,低介电损耗的性能。 最后,为改善碳纳米管与聚合物基体之间的界面,本论文对碳纳米管的表面进行了非共价键的改性,分别采用了硅烷偶联剂KH550、十二烷基苯磺酸钠、聚合物改性剂PVP和PVA,对改性后的碳纳米管进行了FTIR、Raman、TG及DTA表征,探讨了碳纳米管改性对复合材料介电性能及导热性能的影响。发现碳纳米管分散均匀的聚合物体系可在相同的碳纳米管含量范围内实现介电常数和热导率的逾渗现象。


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