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高介电常数和高击穿强度的聚合物基纳米复合材料的制备和介电性能研究

张强  
【摘要】:随着电子电气行业的发展,电器元件作为一个重要的器件,对于电子电气行业的发展起到至关重要的作用。电容器作为电器元件的重要一个部分,其广泛的应用在电子、航天、通信等各个领域,为了适应时代的发展变化,电容器正向着小型化、轻量化的方向进行发展,以满足实际生产生活的需求。为了满足需求,我们需要制备具有高介电性能、低介电损耗且有着良好加工性能的介电材料。传统的介电材料在介电性能方面有着良好的特性,但存在着加工性能差的缺点,我们将无机材料与高分子复合材料进行复合,制备聚合物基纳米电介质材料,具有良好的加工特性,且利用无机材料的介电特性提升复合材料的介电性能。不过在目前的研究过程中还存在多种问题,如无机纳米填料的形貌影响及分散性、无机颗粒与聚合物基体的相容性、无机颗粒的介电特性影响等。本文采用水热法制备钛酸铜钙纳米线,利用有机材料和无机材料进行包覆,制备钛酸铜钙/聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)纳米复合材料,研究钛酸铜钙的形貌和表面改性对于复合材料介电性能的影响和提升,以及通过将不同尺寸金纳米颗粒与聚甲基丙烯酸甲酯制备复合材料,研究库仑阻塞效应对于复合材料介电性能的影响。第一部分,采用全新的方法合成出钛酸铜钙纳米线,并制备出钛酸铜钙纳米线/聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)纳米复合材料,与传统的钛酸铜钙纳米颗粒/聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)纳米复合材料进行对比。之后,分别用有机材料单宁酸以及无机材料氧化铝对钛酸铜钙表面进行包覆,再将表面处理过的钛酸铜钙纳米线和纳米颗粒填充到聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)基体中,制备纳米复合材料。通过对复合材料形貌以及介电性能的测试,研究得出,与传统的钛酸铜钙纳米颗粒相比,钛酸铜钙纳米线对于提升复合材料的介电性能有着更好的效果。通过用有机小分子单宁酸和无机小分子氧化铝对钛酸铜钙表面进行改性,改性后的钛酸铜钙在聚合物基体中的分散性有了明显提高。且改性后的钛酸铜钙制备的复合材料介电性能上有了进一步提升。第二部分,采用不同方法制备两种尺寸的纳米金颗粒,将其填充到聚甲基丙烯酸甲酯基体中,制备出复合材料。在合成过程中金粒子表面会带有有机官能团,使其能在聚合物基体中有更好的分散性。研究发现两种粒径的金纳米粒子均能提升聚甲基丙烯酸甲酯的击穿强度,其中小粒径的更为有效。此外,通过对比两种尺寸金纳米颗粒的复合材料,小尺寸纳米金粒子复合材料具有更高的介电常数和储能密度,而大尺寸纳米金粒子对于维持聚合物复合材料的储能效率更为有效。


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