高介電聚芳醚腈基復(fù)合材料的制備與性能.pdf

1、電容器是電子行業(yè)的一個(gè)最基本而又非常重要的電子元件。近年來(lái)，電子電器領(lǐng)域?qū)p量化以及高儲(chǔ)能密度電容器的需求日益提高。電容器的基本材料為高介電材料，所以開(kāi)發(fā)新型高介電材料是制備高儲(chǔ)能密度電容器的關(guān)鍵。和普通陶瓷電容器里的高介電陶瓷相比，聚合物基電介質(zhì)擁有較低的質(zhì)量比但是介電常數(shù)往往較低。最理想的方式是在聚合物基體中加入高介電陶瓷或者導(dǎo)電填料開(kāi)發(fā)聚合物基復(fù)合材料，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，得到的既有良好的韌性同時(shí)兼具輕量化的高介電復(fù)合材料。聚芳醚腈

2、(PEN)擁有幾乎媲美聚酰亞胺的耐熱性以及韌性，此外介電常數(shù)根據(jù)不同結(jié)構(gòu)在3.5-4.5之間，介電損耗在0.01-0.02之間。本課題首先在實(shí)驗(yàn)室合成出非結(jié)晶型的酚酞對(duì)苯型聚芳醚腈以及結(jié)晶型的聯(lián)苯二酚型聚芳醚腈。再以聚芳醚腈為基體，通過(guò)添加不同介電常數(shù)的無(wú)機(jī)陶瓷填料制備二組分復(fù)合材料、添加導(dǎo)電的碳納米管通過(guò)單向熱拉伸制備二組分復(fù)合材料、同時(shí)添加無(wú)機(jī)陶瓷和碳納米管制備三組分復(fù)合材料和鈦酸鋇@碳納米管核殼結(jié)構(gòu)三組分復(fù)合材料。研究了以上幾種不

3、同類型填料對(duì)PEN的形貌、熱學(xué)性能、力學(xué)性能以及介電性能的影響。
　　（1）首先通過(guò)親核取代反應(yīng)合成出無(wú)定型的酚酞對(duì)苯型聚芳醚腈。以酚酞對(duì)苯型聚芳醚腈為基體樹(shù)脂，選擇具有高介電常數(shù)的二氧化鈦(TiO2)、納米鈦酸鋇（BaTiO3）和鈦酸銅鈣(CCTO)作為高介電無(wú)機(jī)填料。采用側(cè)鏈帶羧基的聚芳醚腈對(duì)二氧化鈦TiO2、BaTiO3和CCTO表面進(jìn)行有機(jī)改性，包裹上一層羧基型聚芳醚腈（PEN-COOH），通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)羧基型聚芳醚腈成功包

4、裹在無(wú)機(jī)填料表面，形成一層核殼結(jié)構(gòu)的粒子。再通過(guò)溶液流延成膜法，將改性后的上述無(wú)機(jī)填料添加到聚芳醚腈中制備PEN/TiO2、PEN/BaTiO3和PEN/CCTO三種二組分復(fù)合材料。然后對(duì)PEN/TiO2、PEN/BaTiO3和PEN/CCTO復(fù)合材料的形貌、力學(xué)、熱學(xué)、介電性能分別進(jìn)行表征。通過(guò)對(duì)比介電性能發(fā)現(xiàn)，PEN/BaTiO3復(fù)合材料在三種復(fù)合材料中擁有最高的介電常數(shù)。因此，選擇納米BaTiO3作為后續(xù)研究對(duì)象制備三組分復(fù)合材料

5、和核殼結(jié)構(gòu)填料復(fù)合材料。
　?。?）首先將將酸化后的多壁碳納米管(MWCNT)添加到無(wú)定型酚酞對(duì)苯型聚芳醚腈基體中，制備得到PEN/MWCNT復(fù)合材料薄膜。其中碳納米管含量分別為2wt％、4wt%、6wt%、8wt%和10wt%。研究發(fā)現(xiàn)加入碳納米管含量為6wt%時(shí)復(fù)合材料擁有較高的介電常數(shù)，但是復(fù)合材料電導(dǎo)率較高。之前有報(bào)道發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的介電性能可以通過(guò)熱拉伸進(jìn)行調(diào)控。而結(jié)晶型聚芳醚腈相對(duì)于無(wú)定型聚芳醚腈更適宜做熱拉伸處理。選用

6、結(jié)晶型的聯(lián)苯二酚型聚芳醚腈為基體。將酸化后的多壁碳納米管(MWCNT)添加到結(jié)晶性的聯(lián)苯二酚型聚芳醚腈基體中，制備得到碳納米管含量為6wt%的PEN/MWCNT復(fù)合材料薄膜。然后將復(fù)合材料薄膜裁剪為細(xì)條狀，放入高溫烘箱里對(duì)樣品進(jìn)行單向熱拉伸，樣品拉伸倍率分別為50%、100%、200%和400%。研究發(fā)現(xiàn)，單向熱拉伸被證明是用以提高PEN/MWCNT復(fù)合材料的力學(xué)性能和儲(chǔ)能密度最為行之有效的方法。復(fù)合材料拉伸倍率為50%時(shí)，儲(chǔ)能密度增加

7、了40%。
　?。?）以酚酞對(duì)苯型聚芳醚腈為基體樹(shù)脂，同時(shí)填充納米BaTiO3無(wú)機(jī)陶瓷和MWCNT。為了便于研究，固定BaTiO3含量為20wt%,以MWCNT為單一變量。通過(guò)溶液溶液共混以及溶液流延成膜法制備了同時(shí)含有無(wú)機(jī)陶瓷以及導(dǎo)電碳納米管的PEN/BaTiO3/MWCNT三組分復(fù)合材料。其中MWCNT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5wt%、1.0wt%、1.5wt%和2.0wt%。詳細(xì)研究了在改變MWCNT含量的條件下，復(fù)合材料介電性

8、能的變化。發(fā)現(xiàn)PEN/BaTiO3/MWCNT三組分復(fù)合材料保留了聚合物的優(yōu)異的力學(xué)性能和熱學(xué)性能以及提高了介電性能。
　?。?）通過(guò)溶劑熱法，在晶化釜里制備出了核殼結(jié)構(gòu)的BaTiO3@MWCNT納米管狀復(fù)合材料。其中多壁碳納米管為核，鈦酸鋇為殼，質(zhì)量比為mBaTiO3：mMWCNT=10:1。然后將BaTiO3@MWCNT添加到酚酞對(duì)苯型聚芳醚腈樹(shù)脂基體中，通過(guò)溶液流延成膜法制備出了PEN/BaTiO3@MWCNT三組分復(fù)合材料