摘要: 聚合物基介电复合材料具有机械性能好、易加工、质量轻和成本低等优点，在电子器件及电气工程等方面具有重要的应用价值，引起了国内外研究人员的广泛关注。虽然科研工作者们在提升聚合物基纳米复合材料的介电性能方面做了大量的研究工作并取得了一系... 展开 聚合物基介电复合材料具有机械性能好、易加工、质量轻和成本低等优点，在电子器件及电气工程等方面具有重要的应用价值，引起了国内外研究人员的广泛关注。虽然科研工作者们在提升聚合物基纳米复合材料的介电性能方面做了大量的研究工作并取得了一系列成果，但目前仍然存在着一些问题亟待解决，例如，如何提高填料在聚合物基体中的分散性、增加填料与基体之间的界面作用、解决高的填充含量以及高的介电常数所带来的高介电损耗等。为此，本文在前人取得的科研成果基础上，通过对填料进行改性或者包覆，提高填料在聚合物基体中的分散性以及增加填料和基体之间的界面作用，降低复合材料中的介电损耗，从而改善聚合物介电复合材料的综合性能。主要研究内容及成果如下： 1、为了提高羟基化多壁碳纳米管(OH-MWCNTs)在聚合物基体中的分散性以及增加二者之间的界面作用，采用表面引发原子转移自由基聚合(ATRP)的方法制备出聚全氟烷基乙基甲基丙烯酸酯(PFEMA)包覆的碳纳米管(PFEMA@MWCNTs)，并将包覆前后的碳纳米管与聚偏氟乙烯(PVDF)进行溶液共混制备复合材料。SEM结果表明含氟聚合物的存在提高了OH-MWCNTs在PVDF基体中的分散性以及增加了二者之间的界面相互作用。另外，含氟聚合物可以起到隔离层的作用，阻碍了OH-MWCNTs之间的相互接触，抑制了由界面极化和漏电电流所引起的介电损耗。当填料含量为1.7wt%时，PFEMA@MWCNTs/PVDF复合材料在1KHz时的介电常数为23，约是纯PVDF的1.7倍，介电损耗仍保持在较低的数值，仅为0.045，远远低于相同含量下MWCNTs/PVDF复合材料的介电损耗。除此之外，逾渗行为表明该复合材料具有很好的绝缘性，其逾渗阈值(fc)是未改性碳纳米管填充的复合材料逾渗阈值的6.5倍。 2、结合聚多巴胺化学和ATRP方法实现了对原始多壁碳纳米管(MWCNTs)的无损改性和包覆，制备出聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA )包覆的碳纳米管(PMMA@MWCNTs )。随后采用溶液共混的方法制备出MWCNTs/PVDF和PMMA@MWCNTs/PVDF两种纳米复合材料。结果表明PMMA不但可以提高MWCNTs在PVDF基体中的分散性，并且可以增强MWCNTs与PVDF之间的界面相互作用。FTIR和XRD结果发现PMMA@MWCNTs可以诱导PVDF的晶体由α相向β/γ相转变，当PMMA@MWCNTs的添加量超过5wt%时，PVDF的β/γ晶体含量接近达到100%。PMMA绝缘层的存在阻碍了MWCNTs之间的直接接触和漏电电流的形成，PMMA@MWCNTs/PVDF复合材料的逾渗阈值与MWCNTs/PVDF相比明显增加。当PMMA@MWCNTs的添加量为7.0wt%时，复合材料的介电常数达到78.9，约是纯PVDF的5.4倍，而介电损耗仅为0.21。因此，PMMA@MWCNTs/PVDF复合材料不但具有高的介电常数，同时介电损耗得到了明显的抑制。 3、前面的研究工作中需要对碳纳米管进行预处理和包覆，并且采用溶液共混的方法来制得PVDF基介电复合材料，整个实验过程较为复杂并且不能大量制备介电复合材料。这一部分中，我们首先通过连续溶液聚合的方法合成了甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物(MG)，随后采用MG作为增容剂与羧基化碳纳米管(c-MWCNTs)和PVDF进行熔融共混。研究发现，MG共聚物的存在可以提高c-MWCNTs在PVDF基体中的分散性，并且增加二者之间的界面作用。同时，MG共聚物的存在阻碍了c-MWCNTs之间的相互接触，使得导电网络在复合材料中很难形成，复合材料的逾渗阈值明显增加。与不填充MG共聚物的复合材料相比，含量为2.4vol%c-MWCNTs的c-MWCNT/MG/PVDF复合材料在1KHz时的介电常数和介电损耗分别为23.34和0.049，该复合材料呈现出高的介电常数和低的介电损耗。另外，添加MG共聚物的复合材料的机械性能也有所提高。 4、将离子液体(IL)、纳基蒙脱土(Na+MMT)和PVDF进行熔融共混，制备出具有高极性晶体含量和高介电性的透明介电复合材料。系统地研究IL和Na+MMT的协同作用对PVDF结构和性能的影响。TEM和SEM结果发现IL的存在可以促进Na+MMT在PVDF中的剥离，采用长链的IL时，蒙脱土的剥离效果最好且剥离的蒙脱土片层在PVDF基体中平行取向。无论是采用长链还是短链的IL，IL和Na+MMT的协同作用能够明显提高PVDF极性晶体的含量和透过率。PVDF/IL/MMT复合材料中的极性晶体含量均为100%，并且在800nm波长时的透过率超过了80%。介电测试结果表明，使用长链的IL与PVDF共混时所得到的复合材料的介电常数和介电损耗最低。当IL、Na+MMT和PVDF三元共混时，剥离的蒙脱土片层的存在可以抑制IL在电场下的迁移，降低了复合材料的介电损耗。例如，P-IL1.0-MMT0.5复合材料在1KHz时的介电常数为15.7，而介电损耗仅为0.05。因此，得到的PVDF/IL/MMT复合材料的介电性能更加优异，并表现出良好的储能特性。 收起