高介電常數(shù)低介電損耗層狀樹脂基復(fù)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(fù)合材料以其良好的加工性和力學(xué)性能在電子信息、電能源、機(jī)械工程和生物工程等領(lǐng)域是有重要的應(yīng)用潛力。目前，導(dǎo)體/聚合物復(fù)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(shè)備的使用壽命。近年來，如何通過設(shè)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(fù)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(shè)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(fù)合材料。研究了不同MWCNTs含量的MWCNT/CE和PE-MWCNT/CE材料的導(dǎo)電與介電性能。研究結(jié)果表明，對于MWCNT/CE復(fù)合材料，其滲流閾值在0.37 wt.%，當(dāng)MWCN

3、Ts含量大于滲流閾值時，電導(dǎo)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(dǎo)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(fù)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(yīng)和等效電路模型進(jìn)行解釋，即PE膜的存在，不僅增強(qiáng)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(zhǔn)確計算導(dǎo)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(fù)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(dǎo)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(dǎo)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(fù)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(jìn)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(fù)合材料在兩層間界面處出現(xiàn)大量的正負(fù)電荷積累，因而形成強(qiáng)的空間電荷極化效應(yīng)，大幅度提高了介電常數(shù)。
　　最后，為更進(jìn)一步增加介電常數(shù)，利用導(dǎo)體/聚合物復(fù)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(shè)計了一種新穎的層狀MWCNT/CE-膨脹石墨（EG）/CE復(fù)合材料。該層狀材料的下層是EG含量達(dá)到滲流閾值的EG/CE復(fù)合材料，上層為不同填料含量的 MWCNT/CE復(fù)合材料層。研究了 EG/CE復(fù)合材料的電導(dǎo)率隨 EG含量的變化關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)EG含量為5.0 wt.%時，EG/CE復(fù)合材料的電導(dǎo)率突然增加，出現(xiàn)了滲流現(xiàn)象。考察了MWCNT/CE和MWCNT/C-5.0EG/CE復(fù)合材料