学术

高介电系数电介质材料的研究现状及发展

摘要：随着信息、电子和电力工业的快速发展，以低成本生产具有高介电常数损耗的聚合物基复合材料成为行业关注的热点。因此，研究具有高介电常数的聚合物基复合材料具有十分重要的学术意义和实用价值。高介电常数的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。研究以纳米和微米尺度的高介电常数的制品，采用特殊的工艺制备了高介电常数的聚合物基纳米功能电介质复合材料。研究了制备工艺、添加物含量、以及微米/纳米等因素对复合电介质材料介电性能的影响。以及利用碳纳米管掺杂聚合物制备柔性高介电常数复合材料的研究现状。

关键词：高介电性能 复合材料 碳纳米管 聚合物 介电损耗

1电介质材料的应用领域

碳纳米管由于其独特的力学、磁学、电学等性能，在电介质材料领域其应用已涉及电极材料、纳米电子器件、复合材料等多方面逐渐形成了材料界和凝聚态物理界的前沿和热点。其中，具有高介电常数的聚合物基复合材料更是受到广泛的关注。这是因为，在电气工程领域，这类复合材料具有高介电常数、低密度以及易于低成本加工等优点，因此既可用作高储能密度电容器的介质材料，也可用作高压电缆均化电场的应力锥材料。在微电子领域，通过选择合适的聚合物基体，可以在印制电路板上快速大规模的制备高电容的嵌入式微电容器，这种高电容的微电容器可以保证集成电路的高速和安全运行。在微机电和生物工程领域，这类高介电常数柔性复合材料可被用于人工肌肉和药物释放智能外衣材料等。通常，提高聚合物基复合材料介电常数的方法主要是，将高介电常数的陶瓷粉末利用特殊的复合工艺添加到聚合物基体中形成。

2聚合物基复合体系的介电性

聚合物基复合体系的介电性能依赖于各组分材料的物理性质、复合材料的制备工艺、填料与聚合物间的表面与界面以及介电常数增加的机理等，特别是利用渗流效应提高材料的介电常数时，填料的形状和尺寸会大大影响复合材料的介电性 能。如多壁碳纳米管（MWNT）改性前后填充的聚合物基复合材料的介电性能为主要内容，对引起复合材料介电性能和渗流阈值的差异进行了比较详细地分析。同时，基于研究的结果，展望了这类材料的未来发展动向。近年来，具有良好的压电和热电效应的柔性聚合物材料受到关注，特别是具有铁电性能的含氟聚合物。但是，在这些材料的一些应用领域（例如高储能电容器等），要求聚合物具有高的介电常数。由于这类材料本身的介电常数较高（接近 10），所以选用 PVDF 作为基体材料，制备碳纳米管填充的复合材料，并研究复合材料的形貌、晶体结构和介电性能等。

3高介电常数高分子复合材料的研究进展

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复合材料既可以保持各组分的部分功能 , 又可以产生某些新性能。制备高介电常数高分子复合材料的无机粒子主要分 3类 : 陶瓷、碳类和金属粒子。

3.1陶瓷粒子

铁电陶瓷具有极高的介电常数,将铁电陶瓷与聚合物复合可综合二者的优点,制备出高介电常数的高分子介电材料。

3.1.1 钛酸钡钛酸钡(BaTiO3)是性能优异、应用广泛的铁电陶瓷材料,可用于聚合物改性以提高材料的介电常数。聚偏二氟乙烯(PVDF)是半结晶性含氟聚合物，具有较高的介电常数(10~ 14),常用来做薄膜电容器材料。在制备了纳米 BaTiO3粒子改性PVDF复合材料时,当纳米BaTiO3的含量为30 %(体积分数,下同)时,复合材料的介电常数高达30以上,介电损耗低于0.05。也有采用热压工艺制备出高介电常数PVDF/BaTiO纳米复合材料。聚酰亚胺(PI)具有优良的耐高温性能、力学性能以及低介电常数和介电损耗。实验通过溶胶法制备了100nm 的

PI/BaTiO3纳米复合材料薄膜,当填料含量为50 %时,在 10 kHz下复合材料的介电常数和介电损耗分别为 35 和 0.0082。另外用原位法制备了PI/BaTiO3纳米复合材料薄膜,1 kHz时的介电常数达到125,在1~ 1000kHz的频率范围内其介电常数不随频率变化。环氧树脂的介电常数较低(约3~ 4), 用 BaTiO3填充环氧树脂可以显著提高其介电常数。还有将BaTiO3添加到环氧树脂中,得到介电常数为50左右的复合材料。填料颗粒大小、偶联剂种类以及用量对介电性能的影响显著。实验人员研究了不同粒径的亚微米级BaTiO3填充环氧树脂体系的介电性能,结果表明,BaTiO3直径为 0. 7 Lm 的体系的介电常数高于BaTiO3直径为0.1Lm体系的,硅烷偶联剂处理提高了体系的介电常数。实验还研究了高频下(1~

1000MHz)环氧树脂/BaTiO3体系的介电性能,发现在1 GHz下,材料的介电常数高达 13. 1。界面状态对环氧树脂/BaTiO3体系的微观结构有重要影响,偶联剂可以使填料粒子在基体中的均匀分散性提高,从而影响其介电性能。此外, 氰酸酯、聚乙烯吡咯烷酮等树脂与BaTiO3复合也可制得高介电常数的高性能聚合物介电体。

3.1.2 PMN-PT、PZTPb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3、锆钛酸铅(PZT)等铁电陶瓷也得到广泛的应用。将PMN-PT 粉末通过溶液法添加到 PVDF 三氟乙烯的共聚物中,陶瓷用量为50%时复合材料的介电常数为200。也有采用热压技术制备并研究PVDF/PZT 复合材料的压电和介电性能,结果表明,当PZT 用量为70%(质量分数)时, 体系 …… 此处隐藏：2482字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……