新型功能石墨烯及其高介电常数低介电损耗环氧树脂基复合材料的研究

摘要

高介电常数（High-k）聚合物基复合材料作为电子、能量转换及存储材料等在众多尖端领域具有巨大的应用前景，受到研究者的广泛和高度关注。基于渗流理论的导体/聚合物基复合材料是制备High-k材料的重要类型。依据渗流理论，在渗流阈值（fc）附近发生介电常数的急增，但是同时也往往出现高介电损耗。如何降低导体/聚合物复合材料的介电损耗成为High-k材料研究的关键。大量研究证明，在导体的表面包覆绝缘层可以有效降低介电损耗，但是因阻碍了导电网络的形成而往往需要添加高含量的导体才能获得高介电常数。这不仅增加了复合材料的fc，而且劣化了复合材料的工艺性，甚至力学性能等其他性能。因此，研发一种兼具高介电常数、低介电损耗和低fc的树脂基复合材料具有重大意义。本文围绕这个目标而展开研究。
　　从新型功能石墨烯的设计制备出发，以结构-性能为主线展开相关的研究。首先，我们制备了具有微电容结构的新型功能体（TiO2@TiB2-rGO），通过化学法在石墨烯（rGO）表面接枝具有核-壳杂化的功能体（TiO2@TiB2）；而后在此基础上以环氧树脂（EP）为基体制备了系列 TiO2@TiB2-0.75rGO/EP复合材料。探讨了不同含量TiO2@TiB2包覆的rGO对TiO2@TiB2-0.75rGO/EP复合材料的电学和介电性能的影响。研究结果表明，TiO2@TiB2-0.75rGO/EP复合材料不仅具有低fc（0.758wt％），而且具有高介电常数和低介电损耗。当 TiO2@TiB2与 rGO的质量比为0.1:1时，相应的3TiO2@TiB2-0.75rGO/EP复合材料在100Hz下的介电常数和介电损耗分别为77和0.55，各为相同 rGO含量的0.75rGO/EP复合材料相应值的1.14和5.8×10-2倍。TiO2@TiB2-0.75rGO/EP复合材料具有高介电常数是因为复合材料中具有大量的微电容结构，其中导体TiB2和rGO充当电极，而绝缘TiO2充当介质。随着微电容结构的TiO2@TiB2-rGO功能体在EP中含量的增多，复合材料中会形成更多的微电容，从而有利于介电常数的提高。而低介电损耗的获得则是因为TiO2@TiB2隔绝了rGO的接触，切断了漏导电流，从而减少了电导损耗。此外，对TiO2@TiB2-rGO/EP复合材料的阻抗谱进行了电路模拟，深入探讨了具有微电容结构的TiO2@TiB2-rGO功能体对其复合材料介电性能的影响。
　　其次，为了保持 rGO优异的电学性能不遭到破坏，使得复合材料获得更高的介电常数，我们通过静电和π-π共轭双重作用将聚苯胺（rPANI）包覆的碳纳米管（CNT）负载于石墨烯（rGO）上，得到了具有“三明治”结构的官能化新型杂化导体（rPANI@CNT-rGO）。在此基础上，固定rGO含量为EP质量的0.75wt%，将具有不同rPANI包覆CNT（rPANI@CNT）负载量的rPANI@CNT-rGO与EP复合，制备了系列 rPANI@CNT-0.75rGO/EP复合材料。与此同时，作为比较，以rPANI@CNT和rGO为导体，通过物理共混方法制备了rPANI@CNT/0.75rGO/EP复合材料，并系统研究了rPANI@CNT/0.75rGO/EP和rPANI@CNT-0.75rGO/EP复合材料的电学与介电性能。研究结果表明，rPANI@CNT/0.75rGO/EP复合材料均具有较低的介电常数（10-20），而rPANI@CNT-0.75rGO/EP复合材料的介电常数随着rPANI@CNT负载量的增加而升高。当负载量达到0.75wt%时，所制得的7rPANI@CNT-0.75rGO/EP复合材料的介电常数达210（100Hz），远高于 rPANI@CNT/EP、0.75rGO/EP复合材料及rPANI@CNT/0.75rGO/EP复合材料的相应值。与此同时，7rPANI@CNT-0.75rGO/EP复合材料的介电损耗（100Hz）分别是后者的208、0.18和22倍，证明了rPANI@CNT-0.75rGO/EP复合材料的介电性能不是基本组成的简单加和，而是表现出显著的协同效应。此外，rPANI@CNT-0.75rGO/EP复合材料的渗流阈值仅为1.1wt%。

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第一章 文献综述

1.1前言

1.2 陶瓷/聚合物复合材料

1.3 导体/聚合物复合材料

1.3.1 高分子/聚合物复合材料

1.3.2 金属/聚合物复合材料

1.3.3 无机/聚合物复合材料

1.4 石墨烯的改性

1.4.1 石墨烯的共价改性

1.4.2 石墨烯的非共价改性

1.5聚合物基复合材料的制备

1.5.1 溶液旋涂法

1.5.2 原位还原法

1.5.3 熔融共混法

1.5.4 层状复合材料

1.5.5 梯度复合材料

1.6 介电理论模型

1.6.1 微电容模型

1.6.2 渗流理论模型

1.7 课题的提出

第二章 氧化二硼化钛-石墨烯/环氧树脂基复合材料的研究

2.1前言

2.2 实验部分

2.2.1 原材料

2.2.2 石墨烯的制备

2.2.3 核壳TiO2@TiB2的制备及其功能化

2.2.4 TiO2@TiB2-rGO杂化功能体的制备

2.2.5复合材料的制备

2.2.6 结构表征与性能测试

2.3 结果与讨论

2.3.1 TiO2@TiB2-rGO的制备与结构

2.3.2 rGO/EP复合材料的电学和介电性能

2.3.3 TiO2@TiB2-0.75rGO/EP复合材料

2.4 本章小结

第三章 聚苯胺包覆碳纳米管-石墨烯/环氧树脂基复合材料的研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 原材料

3.2.2 PANI@CNT的制备

3.2.3 rPANI@CNT-rGO杂化功能体的制备

3.2.4复合材料的制备

3.2.5 结构表征与性能测试

3.3 结果与讨论

3.3.1 rPANI@CNT-rGO的制备与结构

3.3.2 rPANI@CNT/EP复合材料的介电性能

3.3.3 rPANI@CNT-rGO/EP复合材料的设计与结构

3.4 本章小结

第四章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和申请的专利

致谢