基于EVA-TPU共混體系介電納米復(fù)合材料的制備與表征.pdf

1、隨著近年來電子信息技術(shù)和電子設(shè)備的迅猛發(fā)展，人們對具有優(yōu)異介電性能的材料的需求逐漸加大。其中，介電材料作為一種關(guān)鍵的電學(xué)材料被廣泛應(yīng)用在微電子器件等領(lǐng)域，在使用過程中不僅需要達(dá)到較高的介電常數(shù)，同時(shí)還需保持較低的介電損耗。傳統(tǒng)的介電陶瓷材料雖然具有比較良好的介電性能，但不利于環(huán)境友好，且機(jī)械性能較差，嚴(yán)重地限制了其應(yīng)用。相對而言，高介電性能的聚合物基復(fù)合材料因其具有質(zhì)輕、良好的加工性能和機(jī)械性能、價(jià)格低廉、儲能密度大等優(yōu)點(diǎn)在一系列高新科

2、技領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)著舉足輕重的地位。但大量的研究顯示，研究者們在一味追求高介電常數(shù)的同時(shí)卻忽略了高介電損耗的問題。介電損耗的大幅度增加，嚴(yán)重地?fù)p害了材料對電能的存儲能力，從而限制了聚合物基介電復(fù)合材料的發(fā)展與應(yīng)用。因此，尋求新的制備高介電性能的聚合物基復(fù)合材料的方法是目前亟待解決的問題。
　　將兩種或兩種以上聚合物共混是當(dāng)今開發(fā)新材料的重要途徑，當(dāng)向其中引入納米填料時(shí)，通過調(diào)控納米粒子的選擇性分散以及共混物復(fù)合材料的微觀形貌，可以制備具

3、有高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性能等功能一體化復(fù)合材料?；诖?，本文將納米填料引入到聚合物共混體系中制備多元介電納米復(fù)合材料，以期通過調(diào)控納米粒子的選擇性分布以及復(fù)合材料微觀相形態(tài)在提高介電常數(shù)的同時(shí)抑制介電損耗的提升，滿足材料高介電常數(shù)低介電損耗的性能要求。本文將通過探索復(fù)合材料的微觀相形貌，分散相相疇尺寸以及雜化填料對共混物復(fù)合材料介電常數(shù)、介電損耗、導(dǎo)電率以及機(jī)械性能的影響規(guī)律，并探索微觀結(jié)構(gòu)對宏觀性能的作用機(jī)理，以實(shí)現(xiàn)材料的可控制備。通過分析

4、研究，所得結(jié)果如下:
　　(1)通過兩步熔融共混法，將碳納米管引入到醋酸乙烯酯共聚物/熱塑性聚氨酯共混體系中，改變EVA與TPU的組分比以及CNTs的含量，制備具有不同微觀相形貌的納米復(fù)合材料。介電性能測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)復(fù)合材料的微觀相形貌表現(xiàn)為海島結(jié)構(gòu)時(shí)，其介電常數(shù)大幅增加，介電損耗被抑制。通過微觀形貌表征發(fā)現(xiàn)，CNTs分布在TPU分散相中，隨著TPU含量的增加，復(fù)合材料的微觀相形貌由海島結(jié)構(gòu)向雙連續(xù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變;流變性能測試發(fā)現(xiàn)海島結(jié)構(gòu)

5、復(fù)合材料中CNTs的局部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加致密;傅里葉變換紅外光譜分析結(jié)果表明，海島結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中TPU分子鏈上的氫鍵結(jié)構(gòu)被破壞。復(fù)合材料微觀相形貌對其宏觀介電性能的作用機(jī)理為:1）海島結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中CNTs受限于TPU相中，導(dǎo)電的TPU分散相分布在EVA基體中，形成更多微電容結(jié)構(gòu)，在電場作用下，材料的介電常數(shù)大幅增加;而分散相之間被EVA基體阻隔不能形成導(dǎo)電通路，使材料的介電損耗被抑制。2）海島結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的TPU分散相中致密的CNTs網(wǎng)絡(luò)

6、結(jié)構(gòu)，破壞了TPU分子鏈上的氫鍵結(jié)構(gòu)，使TPU分子鏈在電場作用下更容易發(fā)生極化，使其介電常數(shù)大幅提高。
　　(2)將增容劑引入到EVA/TPU/CNT三元納米復(fù)合材料體系中，制備介電復(fù)合材料。通過形貌表征結(jié)果發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的分散相相疇尺寸隨增容劑含量的變化而變化;流變性能結(jié)果表明，體系中CNTs的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也發(fā)生改變;介電性能表征發(fā)現(xiàn)，存在較適宜相疇尺寸范圍（2～3.5μm或8～10.5μm），使復(fù)合材料的介電常數(shù)增加，介電損耗保持

7、較低的值。復(fù)合材料相疇尺寸控制其介電性能的機(jī)理在于，隨著增容劑的引入，復(fù)合材料內(nèi)部由CNTs和TPU島相所構(gòu)成的微電容結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致復(fù)合材料具有不同的介電常數(shù)和介電損耗。
　　(3)將BaTiO3和CNTs兩種納米粒子同時(shí)引入到EVA/TPU共混體系中制備四元介電納米復(fù)合材料。通過介電性能測試發(fā)現(xiàn)海島結(jié)構(gòu)的四元納米復(fù)合材料的介電常數(shù)升高，介電損耗被抑制;形貌表征結(jié)果表明，復(fù)合材料中大部分CNTs與BaTiO3選擇性分布在TPU