改性多壁碳纳米管增强聚苯乙烯介电性能研究
发布时间：2021-10-18 06:42
随着电子产业和电子信息技术的超高速发展,传统电容器材料面临着巨大的挑战,而具有高介电常数、低介电损耗的介电聚合物纳米材料复合材料在微电子领域引起了广泛的关注,例如:集成薄膜电容器、人工肌肉电致收缩系统和电应力控制装置等。通常,提高介电常数的主要方法是在聚合物基质中引入高介电常数的纳米陶瓷填料或导电填料。这类填料虽然具有较高的介电常数,但引入到基体材料中,由于其容易发生团聚的性质,导致纳米复合材料的介电损耗大幅度增加并且击穿强度明显下降。因此,制备高介电常数、低介电损耗的纳米复合材料具有重大意义。本论文中所研究的多壁碳纳米管/聚合物纳米复合材料是以碳纳米管（MWCNT）为主要填料,基体材料选择具有低介电损耗的聚苯乙烯（PS）,通过对多壁碳纳米管不同的改性方式,在填料表面接枝绝缘层,以达到降低介电损耗的目的,从而制备多壁碳纳米管/聚苯乙烯纳米复合材料,具体实验内容如下:（1）以简单的表面改性方式,使MWCNT表面携带具有链转移性质的巯基基团,在自由基聚合过程中,将未反应完的聚苯乙烯链段通过链转移过程,接枝到MWCNT表面,形成一层聚苯乙烯壳层结构。研究不同填料含量时,复合材料表现出不同的介...
【文章来源】：长春工业大学吉林省
【文章页数】：52 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
介电常数与介电损耗随频率的变化[1]
第1章绪论4可以将上述方程简化为()=0,=(22∑2(∞))1/2（1-6）式中，为DebyeHuckel参数，倒数为德拜长度，用来表示电子作用的最大长度。通过方程1-6，可以推导出松散层方程，即(()4)=(()4)（1-7）方程1-7也被称作GouyChapman方程，它揭示了松散层到固定层之间电势差的变化。图1-2Lewis’s理论模型，（a）电势分布与距离的关系，（b）复合材料中松散层传导机理（2）Tanaka’s模型Tanaka等人[7]通过物理、化学和电化学等相关手段，提出了一种球形填料引入聚合物基质中的理论模型。如图1-3所示，假设纳米粒子表面分为三层结构，分别是键合层（bondedlayer）、束缚层（boundlayer）和松散层（looselayer）。键合层紧挨着纳米粒子表面，厚度大约为1nm左右，对聚合物与无机粒子之间有很强的结合作用。这种结合力是由氢键、范德华力、离子或共价键作用所形成的。在束缚层中，这种相互作用力的来源是聚合物分子链与无机粒子的界面相互作用来提供的。虽然束缚层的厚度仅仅在2~9nm之间，但它在聚合物基质与纳米粒子之间提供了很强的相互作用力。而松散层是通过松弛耦合的作用包围在束缚层周围，其厚度大约在几十个纳米之间。在松散层的范围中，聚合物分子链具有不同的构象、运动方式、自由体积和结晶度[8-12]。Tanaka’s模型研究了调控聚合物纳米复合材料介电性能的各种可能性。比如，极性基团的取向对于束缚层来说是不利的，并且松散层的自由体积也会随之降低。这些影响都会降低复合材料的介电常数。
第1章绪论5图1-3Tanaka’s模型1.2聚合物基介电材料1.2.1陶瓷粒子填充的聚合物基纳米复合材料电容器陶瓷具有优异的介电性能，其介电常数高，介电损耗低，早已作为常规填料被广泛的应用在陶瓷/聚合物复合材料中。常见的有钛酸钡（BaTiO3）、钛酸锶（SrTiO3）和钛酸锶钡（BST）等。陶瓷/聚合物复合材料的介电性能具有可预测性，并且介电损耗很低，在实际应用中会减少不必要的热损失。但是想要使复合材料达到较高的介电性能时，其复合材料中的填料含量也要占据很大的体积分数，这就会导致复合材料的加工性能及力学性能大幅度降低，使其规模化生产和大范围的使用造成了困难。Dang[13,14]分别将纳米BaTiO3和钛酸铜钙（CCTO）分别于聚酰亚胺（PI）进行复合，制备出纳米复合薄膜。在室温下测试得到数据反馈：40vol%BaTiO3/PI的介电常数为18.6，而40vol%CCTO/PI的介电常数为49.1，并且两种复合材料的介电损耗均低于0.2。Jiang[15]制备出双壳层结构的纳米BaTiO3，其壳层是由超支化聚酰胺（HBP）/聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）构成。将这种具有核壳结构的纳米BaTiO3引入的聚合物基质中，不仅有效的提高了聚合的介电常数，并且有效的抑制漏电电流的产生，降低介电损耗。在103Hz时，BT@HBT@PMMA的达到39.3，其介电损耗仅仅才0.0276，甚至比纯聚合物PMMA的介电损耗还要低（0.0418）。Zheng[16]选定聚丙烯（PP）作为聚合物的基质材料，将表面包覆三元乙丙橡胶（EPDM）的纳米BaTiO3作为填料引入到体系中。实验结果表明，复合材料的力学性能、介电性能及储能密度有了显著的提高。这些研究成果为我们的实验提供了优秀的指导思路。
本文编号：3442422
【文章来源】：长春工业大学吉林省
【文章页数】：52 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
介电常数与介电损耗随频率的变化[1]
第1章绪论4可以将上述方程简化为()=0,=(22∑2(∞))1/2（1-6）式中，为DebyeHuckel参数，倒数为德拜长度，用来表示电子作用的最大长度。通过方程1-6，可以推导出松散层方程，即(()4)=(()4)（1-7）方程1-7也被称作GouyChapman方程，它揭示了松散层到固定层之间电势差的变化。图1-2Lewis’s理论模型，（a）电势分布与距离的关系，（b）复合材料中松散层传导机理（2）Tanaka’s模型Tanaka等人[7]通过物理、化学和电化学等相关手段，提出了一种球形填料引入聚合物基质中的理论模型。如图1-3所示，假设纳米粒子表面分为三层结构，分别是键合层（bondedlayer）、束缚层（boundlayer）和松散层（looselayer）。键合层紧挨着纳米粒子表面，厚度大约为1nm左右，对聚合物与无机粒子之间有很强的结合作用。这种结合力是由氢键、范德华力、离子或共价键作用所形成的。在束缚层中，这种相互作用力的来源是聚合物分子链与无机粒子的界面相互作用来提供的。虽然束缚层的厚度仅仅在2~9nm之间，但它在聚合物基质与纳米粒子之间提供了很强的相互作用力。而松散层是通过松弛耦合的作用包围在束缚层周围，其厚度大约在几十个纳米之间。在松散层的范围中，聚合物分子链具有不同的构象、运动方式、自由体积和结晶度[8-12]。Tanaka’s模型研究了调控聚合物纳米复合材料介电性能的各种可能性。比如，极性基团的取向对于束缚层来说是不利的，并且松散层的自由体积也会随之降低。这些影响都会降低复合材料的介电常数。
第1章绪论5图1-3Tanaka’s模型1.2聚合物基介电材料1.2.1陶瓷粒子填充的聚合物基纳米复合材料电容器陶瓷具有优异的介电性能，其介电常数高，介电损耗低，早已作为常规填料被广泛的应用在陶瓷/聚合物复合材料中。常见的有钛酸钡（BaTiO3）、钛酸锶（SrTiO3）和钛酸锶钡（BST）等。陶瓷/聚合物复合材料的介电性能具有可预测性，并且介电损耗很低，在实际应用中会减少不必要的热损失。但是想要使复合材料达到较高的介电性能时，其复合材料中的填料含量也要占据很大的体积分数，这就会导致复合材料的加工性能及力学性能大幅度降低，使其规模化生产和大范围的使用造成了困难。Dang[13,14]分别将纳米BaTiO3和钛酸铜钙（CCTO）分别于聚酰亚胺（PI）进行复合，制备出纳米复合薄膜。在室温下测试得到数据反馈：40vol%BaTiO3/PI的介电常数为18.6，而40vol%CCTO/PI的介电常数为49.1，并且两种复合材料的介电损耗均低于0.2。Jiang[15]制备出双壳层结构的纳米BaTiO3，其壳层是由超支化聚酰胺（HBP）/聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）构成。将这种具有核壳结构的纳米BaTiO3引入的聚合物基质中，不仅有效的提高了聚合的介电常数，并且有效的抑制漏电电流的产生，降低介电损耗。在103Hz时，BT@HBT@PMMA的达到39.3，其介电损耗仅仅才0.0276，甚至比纯聚合物PMMA的介电损耗还要低（0.0418）。Zheng[16]选定聚丙烯（PP）作为聚合物的基质材料，将表面包覆三元乙丙橡胶（EPDM）的纳米BaTiO3作为填料引入到体系中。实验结果表明，复合材料的力学性能、介电性能及储能密度有了显著的提高。这些研究成果为我们的实验提供了优秀的指导思路。
本文编号：3442422
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