高介电常数低介电损耗层状树脂基复合材料的研究

摘要

由于高的储能性能和均匀化电场分布的优点，具有高介电常数的树脂基复合材料以其良好的加工性和力学性能在电子信息、电能源、机械工程和生物工程等领域是有重要的应用潜力。目前，导体/聚合物复合材料被证明是制备高介电常数材料重要的一种。然而，他们往往表现出较高的介电损耗，这不仅造成能源的浪费，而且缩短设备的使用寿命。近年来，如何通过设计新颖的空间结构来研制高介电常数、低介电损耗树脂基复合材料的研究成为摆在我们目前的一个有趣而极富挑战性的课题。本文即是围绕这个课题展开。
　　首先，基于低密度聚乙烯（LDPE）、碳纳米管（MWCNTs）和氰酸酯（CE）树脂，我们设计构筑了不对称双层材料（PE-MWCNT/CE），其中上层为7μm厚度的LDPE薄膜，下层是不同 MWCNTs含量的 MWCNT/CE复合材料。研究了不同MWCNTs含量的MWCNT/CE和PE-MWCNT/CE材料的导电与介电性能。研究结果表明，对于MWCNT/CE复合材料，其渗流阈值在0.37 wt.%，当MWCNTs含量大于渗流阈值时，电导率突然升高至2×10-7 S/cm，PE-MWCNT/CE材料在整个MWCNTs含量范围内，它的电导率都处于极低的值（5×10-11 S/cm），无渗流现象出现。此外，在相同MWCNTs含量下，与MWCNT/CE复合材料相比，PE-MWCNT/CE材料在1-107 Hz的范围内显示出更高的介电常数和极低的介电损耗正切值。这些有趣的结果用空间电荷极化效应和等效电路模型进行解释，即PE膜的存在，不仅增强了材料空间电荷极化能力，也有利于减少漏电电流。此外，根据介电常数实部与虚部Cole-Cole图的讨论，得到了一种准确计算导体/聚合物空间电荷极化的弛豫时间有效的方法。
　　其次，采用重力沉降与逐层浇注法制备了双层梯度复合材料（[g?MWCNT/CE]2）。研究了不同MWCNTs含量的MWCNT/CE和[g?MWCNT/CE]2材料的导电与介电性能。研究结果表明，填料MWCNTs的梯度分布同样能够大幅度降低材料的电导率和介电损耗角正切值，同时双层结构有利于大幅度提高复合材料的介电常数。然后，对CE树脂、MWCNT/CE和[g?MWCNT/CE]2三种材料在10 kV·mm-1电场中于厚度方向上的空间电荷分布进行了研究，研究结果表明，MWCNTs的加入增加了材料中的电荷密度，而逐层浇注法使得[g?MWCNT/CE]2复合材料在两层间界面处出现大量的正负电荷积累，因而形成强的空间电荷极化效应，大幅度提高了介电常数。
　　最后，为更进一步增加介电常数，利用导体/聚合物复合材料在渗流阈值附近时介电常数突然增加的这个特点，设计了一种新颖的层状MWCNT/CE-膨胀石墨（EG）/CE复合材料。该层状材料的下层是EG含量达到渗流阈值的EG/CE复合材料，上层为不同填料含量的 MWCNT/CE复合材料层。研究了 EG/CE复合材料的电导率随 EG含量的变化关系，研究发现当EG含量为5.0 wt.%时，EG/CE复合材料的电导率突然增加，出现了渗流现象。考察了MWCNT/CE和MWCNT/C-5.0EG/CE复合材料介电性能的异同，研究结果表明，0.5MWCNT/C-5.0EG/CE复合材料的介电常数在1 Hz时最高值达486，而介电损耗却明显低于0.5MWCNT/CE和5.0EG/CE两类复合材料。这主要是因为在层间界面处，EGs和MWCNTs不能穿过而在此处产生填料断层，从而电荷会聚集于此而产生新的空间电荷极化；且电导率会明显降低，有利于降低介电损耗。

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第一章 文献综述

1.1 高介电常数复合材料的介电理论

1.2 高介电常数聚合物基复合材料

1.3 高介电常数聚合物基复合材料的主要应用

1.4 结语及课题的提出

第二章 聚乙烯-碳纳米管/氰酸酯双层材料的研究

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 双层叠加MWCNT/CE梯度复合材料的研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 MWCNT/CE-EG/CE双层复合材料的研究

4.1前言

4.2 实验部分

4.3结果与讨论

4.4 本章小结

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