Study on high dielectric constant low dielectric loss laminated resin matrix composites高介电常数低介电损耗层状树脂基复合材料的研究.pdfVIP

高介电常数低介电损耗层状树脂基复合材料的研究 中文摘要 由于高的储能性能和均匀化电场分布的优点，具有高介电常数的树脂基复合材料 以其良好的加工性和力学性能在电子信息、电能源、机械工程和生物工程等领域是有 重要的应用潜力。目前，导体/聚合物复合材料被证明是制备高介电常数材料重要的 一种。然而，他们往往表现出较高的介电损耗，这不仅造成能源的浪费，而且缩短设 备的使用寿命。近年来，如何通过设计新颖的空间结构来研制高介电常数、低介电损 耗树脂基复合材料的研究成为摆在我们目前的一个有趣而极富挑战性的课题。本文即 是围绕这个课题展开。 首先，基于低密度聚乙烯（LDPE ）、碳纳米管（MWCNTs ）和氰酸酯（CE ）树 脂，我们设计构筑了不对称双层材料（PE-MWCNT/CE ），其中上层为 7μm 厚度的 LDPE 薄膜，下层是不同 MWCNTs 含量的 MWCNT/CE 复合材料。研究了不同 MWCNTs 含量的 MWCNT/CE 和 PE-MWCNT/CE 材料的导电与介电性能。研究结果 表明，对于 MWCNT/CE 复合材料，其渗流阈值在 0.37 wt.%，当MWCNTs 含量大于 渗流阈值时，电导率突然升高至 2×10-7 S/cm，PE-MWCNT/CE 材料在整个 MWCNTs 含量范围内，它的电导率都处于极低的值（5×10-11 S/cm），无渗流现象出现。此外， 7 在相同MWCNTs 含量下，与MWCNT/CE 复合材料相比，PE-MWCNT/CE 材料在 1-10 Hz 的范围内显示出更高的介电常数和极低的介电损耗正切值。这些有趣的结果用空 间电荷极化效应和等效电路模型进行解释，即PE 膜的存在，不仅增强了材料空间电 荷极化能力，也有利于减少漏电电流。此外，根据介电常数实部与虚部 Cole-Cole 图 的讨论，得到了一种准确计算导体/聚合物空间电荷极化的弛豫时间有效的方法。 其次，采用重力沉降与逐层浇注法制备了双层梯度复合材料（[g−MWCNT/CE] ）。 2 研究了不同 MWCNTs 含量的 MWCNT/CE 和[g−MWCNT/CE]2 材料的导电与介电性 能。研究结果表明，填料 MWCNTs 的梯度分布同样能够大幅度降低材料的电导率和 介电损耗角正切值，同时双层结构有利于大幅度提高复合材料的介电常数。然后，对 -1 CE 树脂、MWCNT/CE 和[g−MWCNT/CE]2 三种材料在 10 kV·mm 电场中于厚度方向 上的空间电荷分布进行了研究，研究结果表明，MWCNTs 的加入增加了材料中的电 I 荷密度，而逐层浇注法使得[g−MWCNT/CE]2 复合材料在两层间界面处出现大量的正 负电荷积累，因而形成强的空间电荷极化效应，大幅度提高了介电常数。 最后，为更进一步增加介电常数，利用导体/聚合物复合材料在渗流阈值附近时介 电常数突然增加的这个特点，设计了一种新颖的层状 MWCNT/CE-膨胀石墨（EG ）/CE 复合材料。该层状材料的下层是 EG 含量达到渗流阈值的 EG/CE 复合材料，上层为 不同填料含量的 MWCNT/CE 复合材料层。研究了 EG/CE 复合材料的电导率随 EG 含量的变化关系，研究发现当 EG 含量为 5.0 wt.%时，EG/CE 复合材料的电导率突然 增加，出现了渗流现象。考察了 MWCNT/CE 和 MWCNT/C-5.0EG/CE 复合材料介电 性能的异同，研究结果表明，0.5MWCNT/C-5.0EG/CE 复合材料的介电常数在 1 Hz 时最高值达486 ，而介电损耗却明显低于 0.5MWCNT/CE 和 5.0EG/CE 两类复合材