高介電常數(shù)低介電損耗層狀樹脂基復合材料的研究.pdf

1、由于高的儲能性能和均勻化電場分布的優(yōu)點，具有高介電常數(shù)的樹脂基復合材料以其良好的加工性和力學性能在電子信息、電能源、機械工程和生物工程等領域是有重要的應用潛力。目前，導體/聚合物復合材料被證明是制備高介電常數(shù)材料重要的一種。然而，他們往往表現(xiàn)出較高的介電損耗，這不僅造成能源的浪費，而且縮短設備的使用壽命。近年來，如何通過設計新穎的空間結(jié)構(gòu)來研制高介電常數(shù)、低介電損耗樹脂基復合材料的研究成為擺在我們目前的一個有趣而極富挑戰(zhàn)性的課題。本文即

2、是圍繞這個課題展開。
　　首先，基于低密度聚乙烯（LDPE）、碳納米管（MWCNTs）和氰酸酯（CE）樹脂，我們設計構(gòu)筑了不對稱雙層材料（PE-MWCNT/CE），其中上層為7μm厚度的LDPE薄膜，下層是不同 MWCNTs含量的 MWCNT/CE復合材料。研究了不同MWCNTs含量的MWCNT/CE和PE-MWCNT/CE材料的導電與介電性能。研究結(jié)果表明，對于MWCNT/CE復合材料，其滲流閾值在0.37 wt.%，當MWCN

3、Ts含量大于滲流閾值時，電導率突然升高至2×10-7 S/cm，PE-MWCNT/CE材料在整個MWCNTs含量范圍內(nèi)，它的電導率都處于極低的值（5×10-11 S/cm），無滲流現(xiàn)象出現(xiàn)。此外，在相同MWCNTs含量下，與MWCNT/CE復合材料相比，PE-MWCNT/CE材料在1-107 Hz的范圍內(nèi)顯示出更高的介電常數(shù)和極低的介電損耗正切值。這些有趣的結(jié)果用空間電荷極化效應和等效電路模型進行解釋，即PE膜的存在，不僅增強了材料空間

4、電荷極化能力，也有利于減少漏電電流。此外，根據(jù)介電常數(shù)實部與虛部Cole-Cole圖的討論，得到了一種準確計算導體/聚合物空間電荷極化的弛豫時間有效的方法。
　　其次，采用重力沉降與逐層澆注法制備了雙層梯度復合材料（[g?MWCNT/CE]2）。研究了不同MWCNTs含量的MWCNT/CE和[g?MWCNT/CE]2材料的導電與介電性能。研究結(jié)果表明，填料MWCNTs的梯度分布同樣能夠大幅度降低材料的電導率和介電損耗角正切值，同時

5、雙層結(jié)構(gòu)有利于大幅度提高復合材料的介電常數(shù)。然后，對CE樹脂、MWCNT/CE和[g?MWCNT/CE]2三種材料在10 kV·mm-1電場中于厚度方向上的空間電荷分布進行了研究，研究結(jié)果表明，MWCNTs的加入增加了材料中的電荷密度，而逐層澆注法使得[g?MWCNT/CE]2復合材料在兩層間界面處出現(xiàn)大量的正負電荷積累，因而形成強的空間電荷極化效應，大幅度提高了介電常數(shù)。
　　最后，為更進一步增加介電常數(shù)，利用導體/聚合物復合材

6、料在滲流閾值附近時介電常數(shù)突然增加的這個特點，設計了一種新穎的層狀MWCNT/CE-膨脹石墨（EG）/CE復合材料。該層狀材料的下層是EG含量達到滲流閾值的EG/CE復合材料，上層為不同填料含量的 MWCNT/CE復合材料層。研究了 EG/CE復合材料的電導率隨 EG含量的變化關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)當EG含量為5.0 wt.%時，EG/CE復合材料的電導率突然增加，出現(xiàn)了滲流現(xiàn)象?？疾炝薓WCNT/CE和MWCNT/C-5.0EG/CE復合材料