基于微纳层叠技术的聚合物基高介电复合材料的制备及性能研究

摘要

高介电复合材料在电容器、微波吸收材料及电缆行业等领域的急速发展对其介电性能提出了非常高的要求。目前，制备的聚合物基介电复合材料虽然能够提高介电常数，但通常也会存在介电损耗高等问题。为解决这个问题，本文提出了利用微纳层叠挤出技术制备层状结构的聚合物基高介电复合材料，以达到提高聚合物基介电复合材料的介电常数，并同时保持低介电损耗及高击穿场强等性能。主要研究内容如下:
　　1、提出了新型的扭转式层叠器，并自行搭建了单基材与双基材微纳层叠挤出装置两条实验线，对这两条实验线的系统组成、工作原理等进行了详细介绍;利用Polyflow对口模流道长度对挤出过程的影响进行了模拟，模拟思路为设计不同应用场合下的微纳层叠挤出装置提供了重要的参考意义。
　　2、利用单基材微纳层叠装置制备了不同碳纳米管含量下1、9、81、729层的碳纳米管/高抗冲聚苯乙烯复合材料，对碳纳米管在高抗冲聚苯乙烯基体中的分散及取向状态进行了分析，并探讨了碳纳米管/高抗冲聚苯乙烯层状复合材料的导电与介电性能。结果表明，由于复合材料熔体受到叠层装置内的强剪切及拉伸作用力，碳纳米管在高抗冲聚苯乙烯基体中的分散性与取向程度都随着层数的增加而增加，并提高了复合材料的介电常数与介电损耗。碳纳米管取向破坏了复合材料内部原有的导电网络结构，不同程度的影响了复合材料的交流电导率，并据此提出了碳纳米管在微纳拖曳流场作用下的取向模型。
　　3、利用双基材微纳层叠共挤出装置制备了不同碳纳米管含量2、8、32、128层的高抗冲聚苯乙烯/碳纳米管填充高抗冲聚苯乙烯交替层状复合材料，分析了交替层状复合材料的分层现象，并探讨了交替层状复合材料的导电性能、介电性能及储能密度。结果表明，交替层状复合材料的实际微层厚度与理论厚度基本一致，CNT+HIPS层与HIPS层之间界面良好。HIPS/CNT+HIPS交替层状复合材料的导电性体现出明显的各向异性，在挤出方向上表现出高导电的特性，而在厚度方向上表现出绝缘的特性。交替层状结构的设计不仅能够大幅度提高复合材料介电常数，而且能够维持低介电损耗，尤其在低频(＜104Hz)下保持与纯高抗冲聚苯乙烯基本一致的介电损耗，提出了交替层状复合材料的界面极化模型对该现象进行了解释，并通过数学模型解释了交替层状复合材料表现出低介电损耗的原因。交替层状结构的设计还能够维持复合材料较高的击穿场强。
　　本课题成功研制了单基材与双基材微纳层叠挤出装置，并制备出了具有高介电常数、低介电损耗、高击穿场强的交替层状复合材料，为制备特殊空间结构的聚合物基高介电复合材料提供了一种简便易行的方法。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 聚合物基高介电复合材料的研究进展

1．1．1 陶瓷／聚合物高介电复合材料

1．1．2 全有机高介电复合材料

1．1．3 导电填料／聚合物高介电复合材料

1．1．4 多层结构的高介电复合材料

1．2 碳纳米管／聚合物高介电复合材料的研究

1．2．2 碳纳米管／聚合物复合材料的制备方法

1．2．3 影响碳纳米管／聚合物高介电复合材料介电性能的因素

1．3 聚合物基高介电复合材料的介电理论

1．3．1 Maxwell-Garnett理论

1．3．2 Bruggeman理论

1．3．3 Jaysundere-Smith理论

1．3．4 Lichtenker理论

1．3．5 渗流阈值理论

1．4 微纳层叠挤出技术的研究进展

1．5 研究意义与内容

第二章 单／双基材新型微纳层叠挤出原理及装置设计

2．2 单基材微纳层叠挤出装置的搭建

2．3 双基材微纳层叠共挤出装置的搭建

2．4 口模结构数值模拟优化

2．4．1 数学模型

2．4．2 结果与讨论

2．5 本章小结

第三章 CNT+HIPS单基材多层高介电复合材料的制备及性能研究

3．1 引言

3．2 实验

3．2．1 实验原料

3．2．2 实验设备及测试仪器

3．2．4 测试与表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 复合材料的渗流阈值

3．3．2 复合材料的微观形貌

3．3．3 碳纳米管取向分析

3．3．4 复合材料的交流电导率

3．3．5 复合材料的介电常数

3．3．6 复合材料的介电损耗

3．4 本章小结

第四章 HIPS／CNT+HIPS交替层状高介电复合材料的制备及性能研究

4．1 引言

4．2 实验

4．2．1 实验原料

4．2．2 实验设备及仪器

4．2．3 制备过程

4．2．4 测试与表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 微层／微层界面分析

4．3．2 复合材料的微观形貌

4．3．3 复合材料的导电性能

4．3．4 复合材料的介电常数

4．3．5 复合材料的介电损耗

4．3．6 复合材料的储能密度

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 工作展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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