高介电常数氰酸酯基复合材料的研究

论文摘要

高介电常数（高K值）聚合物基复合材料在现代工业中占据重要地位,是工程材料领域的研究热点和重点。陶瓷/聚合物和导体/聚合物复合材料是广泛采用的典型高K值聚合物基复合材料,但基于混合法则制备的陶瓷/聚合物复合材料介电性能的优化效果十分有限,同时人们对导体/聚合物复合材料的介电性能及其非线性增强的机制尚未达成共识,致使其介电性能稳定性差。如何获得综合性能优异、性能指标稳定的介电材料成为世界各国共同面对的问题。本论文从界面效应这一复合材料的根本性问题入手,以钛酸铜钙（CCTO）为陶瓷相,以膨胀石墨薄片（EG）为导体相,以高性能热固性树脂氰酸酯树脂（CE）为基体树脂,设计并制备了陶瓷/聚合物、导体/聚合物、导体/陶瓷/聚合物三类典型高介电常数复合材料,系统研究了界面与复合材料介电性能及介电常数非线性增强效应的相互关系,探讨了控制界面状况实现材料性能设计的技术方法。研究工作主要包括三个方面。首先,以CE树脂为基体,分别采用CCTO及经γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）表面处理的CCTO （ CCTO（KH550） ）作为功能体,制备了CCTO/CE和CCTO（KH550）/CE复合材料,重点探讨了CCTO（KH550）的表面结构及界面对复合材料介电性能的影响。同时采用差示扫描量热法（DSC）和动态力学热分析（DMA）系统地研究了复合材料的固化行为和耐热性。研究结果表明CCTO和CCTO（KH550）的加入能有效提高树脂基体的介电常数,界面的改善能使复合材料在较宽的频率和温度范围内保持稳定的介电性能,同时复合材料具有低的固化温度和优异的热性能。其次,以CE树脂为基体,以EG为功能体,制备了EG/CE复合材料,重点研究了复合材料介电常数的非线性增加现象,同时考察了复合材料的耐热性能。研究结果表明EG/CE复合材料具有低的渗流阈值（2.85vol%）,渗流阈值处复合材料的介电常数突增（复合材料在1kHz下的介电常数达100）。第三,以CE树脂为基体,以EG和经表面改性的CCTO为功能体,制备了EG/CCTO/CE复合材料,着重研究了复合材料的介电性能和导电性能,探讨了复合材料界面对渗流阈值的影响,同时分析了三元复合材料的固化行为和热性能。研究结果表明三元复合材料具有比EG/CE复合材料更优异的界面,更低的渗流阈值（2.75vol%）;同时三元复合材料的介电常数在1kHz时达149,大约为纯CE树脂的40倍。此外,与二元复合材料相比,三元复合材料具有较优异的反应性和热性能。基于以上研究工作,本论文取得的创新性成果主要有:首次对CCTO进行了偶联剂表面处理,系统研究了界面对复合材料介电性能的影响;首次深入探讨导体/陶瓷/聚合物三元复合材料中协同效应对介电性能的影响,证明了界面优化对改善复合材料的介电性能起重要作用,通过界面调控可以获得综合性能优异、性能指标稳定的高介电常数聚合物基复合材料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 高介电常数聚合物基复合材料的应用
• 1.1.1 在嵌入式电容器中的应用
• 1.1.2 在电缆行业中的应用
• 1.1.3 在高储能密度电容器中的应用
• 1.1.4 在人工肌肉等微机电领域中的应用
• 1.2 高介电常数聚合物基复合材料的研究进展
• 1.2.1 陶瓷类功能体
• 1.2.2 导体类功能体
• 1.2.2.1 无机型导体
• 1.2.2.2 金属型导体
• 1.2.2.3 高分子型导体
• 1.2.3 （导体+介电陶瓷）复合功能体
• 1.3 复合材料的经典介电理论
• 1.3.1 Maxwell 介质理论
• 1.3.2 Bruggeman 有效介质模型
• 1.3.3 Lichtenecker 对数法则
• 1.3.4 Vo–Shi 方程
• 1.3.5 渗流理论
• 1.4 氰酸酯概述
• 1.5 课题的提出及研究内容
• 第二章 钛酸铜钙/氰酸酯复合材料的研究
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 原材料
• 2.2.2 CCTO 的表面处理
• 2.2.3 复合材料的制备
• 2.2.4 结构表征与性能测试
• 2.2.4.1 X 射线光电子能谱（XPS）
• 2.2.4.2 红外光谱（IR）
• 2.2.4.3 凝胶时间
• 2.2.4.4 差示扫描量热（DSC）
• 2.2.4.5 动态力学性能（DMA）
• 2.2.4.6 介电性能与导电性能
• 2.2.4.7 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 CCTO 的表面处理
• 2.3.2 复合材料的形态
• 2.3.3 复合材料的固化行为
• 2.3.4 复合材料的热性能
• 2.3.5 复合材料的常温介电性能
• 2.3.6 复合材料的变温介电性能
• 2.4 本章小结
• 第三章 膨胀石墨薄片/氰酸酯复合材料的研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 原材料
• 3.2.2 膨胀石墨的制备
• 3.2.3 超声法制备膨胀石墨薄片
• 3.2.4 EG/CE 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 EG 的微观结构
• 3.3.2 复合材料制备过程对EG 晶型的影响
• 3.3.3 复合材料的固化行为
• 3.3.4 复合材料的热性能
• 3.3.5 复合材料的渗流阈值
• 3.3.6 复合材料的电导率
• 3.3.7 复合材料的介电性能
• 3.4 本章小结
• 第四章 膨胀石墨薄片/钛酸铜钙/氰酸酯复合材料的研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 原材料
• 4.2.2 钛酸铜钙的表面处理
• 4.2.3 膨胀石墨薄片的制备
• 4.2.4 EG/CCTO/CE 复合材料的制备
• 4.2.5 结构表征与性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 复合材料的固化行为
• 4.3.2 复合材料的热性能
• 4.3.3 复合材料的电导率
• 4.3.4 复合材料的介电性能
• 4.3.4.1 介电常数
• 4.3.4.2 介电损耗
• 4.3.4.3 渗流阈值
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 硕士期间发表的论文与申报的发明专利
• 致谢