蒙脫土-環(huán)氧樹脂納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形態(tài)與介電性能機理研究.pdf

1、盡管從Lewis提出納米電介質(zhì)概念至今,相關(guān)研究已發(fā)展整整二十年,但是,納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形態(tài)與介電性能之間的相關(guān)性問題至今尚未得出令人滿意的結(jié)論。究其原因主要是納米復(fù)合體系的結(jié)構(gòu)形態(tài)不僅取決于聚合物基體與無機納米相的自身屬性、尺度和形狀,而且與復(fù)合工藝、第三組分的種類及試樣制備方法等密切相關(guān)。因此,探索調(diào)控及表征納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形態(tài)的方法,對于揭示納米復(fù)合材料介觀結(jié)構(gòu)形態(tài)與宏觀介電性能之間的聯(lián)系,進(jìn)而開發(fā)出介電性能優(yōu)異的新型電介質(zhì)材料具

2、有十分重要的意義。
　　基于目前聚合物基納米復(fù)合電介質(zhì)的研究現(xiàn)狀,本文以探索納米復(fù)合材料的介觀結(jié)構(gòu)形態(tài)與宏觀介電性能之間的聯(lián)系為目標(biāo),選用雙酚 A環(huán)氧樹脂為基體聚合物,以經(jīng)過不同表面修飾的層狀硅酸鹽蒙脫土為納米分散相,采用熔融插層復(fù)合技術(shù)制備出不同的蒙脫土/環(huán)氧樹脂納米復(fù)合材料;分別利用 X射線衍射、傅立葉紅外光譜、掃描電子顯微鏡與透射電子顯微鏡等分析手段,對復(fù)合材料試樣的結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行了表征,結(jié)果表明:經(jīng)有機化改性后蒙脫土的片層間

3、距由1.26nm擴大到2.38nm;紅外譜圖中新增的 C—N鍵伸縮振動峰和O—N鍵伸縮振動峰意味著烷基銨鹽通過陽離子交換反應(yīng)后與呈負(fù)電性的 MMT片層形成了鍵合,因此,改善了 MMT與環(huán)氧樹脂的相容性,使其能夠均勻分散在基體樹脂中形成了部分剝離型結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合相。據(jù)此,提出了基于熱力學(xué)原理和靜電力作用原理的調(diào)控納米復(fù)合材料介觀結(jié)構(gòu)形態(tài)的物理模型。
　　試驗研究了復(fù)合工藝參數(shù)、蒙脫土表面修飾方法以及蒙脫土含量等對蒙脫土/環(huán)氧樹脂納米

4、復(fù)合材料介電性能的影響,結(jié)果表明,復(fù)合體系的固化溫度主要影響試樣在高溫時的介電常數(shù),在160°C的測試溫度下,固化溫度為120°C、150°C和180°C的復(fù)合材料試樣的介電常數(shù)分別為8.2、6.7和3.7,介質(zhì)損耗角正切值分別為0.45、0.30和0.10;有機化蒙脫土/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料試樣的相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值都明顯低于純環(huán)氧樹脂試樣和相同含量的未處理蒙脫土/環(huán)氧樹脂試樣;隨著有機化蒙脫土含量的增加,復(fù)合材料的相對介電常數(shù)

5、和介質(zhì)損耗角正切值減小,但是含量超過5wt％時,則呈現(xiàn)出回升的趨勢。據(jù)此,提出了基于動力學(xué)原理和靜電力作用原理的取向極化束縛模型。
　　試驗研究了蒙脫土有機化處理及含量變化對有機化蒙脫土/環(huán)氧樹脂納米復(fù)合材料電導(dǎo)特性和擊穿特性的影響。結(jié)果表明,有機化蒙脫土的引入對環(huán)氧樹脂在直流電場下的電導(dǎo)率影響顯著,電導(dǎo)率提高比率高于蒙脫土含量增量;隨有機化蒙脫土含量的增加,納米復(fù)合材料試樣的活化能略有降低,在低溫區(qū)降低了0.02~0.18eV,

6、降幅為6.4%~58%,在高溫區(qū)降低了0.1~0.4eV,降幅約5.6~22.6%;蒙脫土的引入使環(huán)氧樹脂的交流擊穿場強有不同程度的提高,在蒙脫土含量為3%時,蒙脫土/環(huán)氧樹脂和有機化蒙脫土/環(huán)氧樹脂試樣的擊穿場強分別比純環(huán)氧樹脂高27%和31%。根據(jù)有機化處理使蒙脫土由微米分散相轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米分散相以及與聚合物基體相容性更好的作用原理,闡釋了界面結(jié)構(gòu)對介質(zhì)低場下離子電導(dǎo)勢壘的影響規(guī)律;從自由電子在納米復(fù)合界面內(nèi)的輸運機制入手,提出當(dāng)納米分