碳纳米纤维/聚合物复合材料微观结构与介电性能的关联性研究

随着对介电材料性能要求的不断提高，纳米聚合物复合材料在介电领域应用日益广泛。由于目前缺乏对纳米复合材料介电性能全面系统的理解，许多材料体系的开发依赖经验，介电性能的稳定性和重复性差。纳米填料的加入可以直接影响复合材料介电性能，同时又影响结晶材料的结晶结构和结晶度，进而间接的影响材料的介电性能，但纳米填料和聚合物材料性质对介电性能的交互影响尚未被系统探讨。最近，纳米聚合物复合材料又被发现具有负介电常数，有望作为左手材料提供特殊的电磁性能，而负介电常熟产生机理还没有被清晰阐述。为此，本项目将在申请人前期研究工作基础上，控制复合工艺，深入探讨碳纳米纤维（CNFs）性质（物理结构、长径比、表面性质）、聚合物性质（结晶结构、极性基团）和复合材料微观结构（取向、分散性）及其交互作用对材料介电常数和介电损耗的影响规律，并着重分析负介电常数的产生机制，为实现CNFs/聚合物介电性能的可控设计提供技术基础。

随着对介电材料性能要求的不断提高，纳米聚合物复合材料在介电领域的应用日益广泛。由于目前缺乏对纳米复合材料介电性能全面系统的理解，许多材料体系的开发依赖经验，介电性能的稳定性和重复性差。纳米填料的加入可以直接影响复合材料介电性能，同时又影响结晶材料的结晶结构和结晶度，进而间接影响材料的介电性能，但纳米填料和聚合物材料性质对介电性能的交互影响尚未被系统探讨。当前渗流型复合介电材料还存在介电损耗大、阈值附近加工和使用的安全性差等问题。为此，本项目将在申请人前期研究工作基础上，针对典型聚合物复合材料体系，控制复合工艺，深入探讨碳纳米纤维（CNFs）性质（物理结构、长径比、表面性质）、聚合物性质（结晶结构、极性基团）和复合材料微观结构（取向、分散性）及其交互作用对材料介电常数和介电损耗的影响规律。通过静电纺丝和后期热处理技术，控制碳纳米纤维在聚合物基体中分散状态，调节聚合物结晶结构和结晶度，可以显著影响聚合物复合材料的介电性能。研究发现在渗流阈值之上，可以通过调节聚合物结晶结构和结晶度实现复合材料的高介电常数和低介电损耗，大大提高了渗流型复合介电材料制备和使用过程中的易操作性和安全性。同时，通过将聚醚酰亚胺和异丙醇铝等有机或无机绝缘层包覆在碳纳米纤维表面，可以显著降低碳纳米纤维/结晶性聚合物复合材料的介电损耗，同时保持其拥有较高的介电常数。最近，纳米聚合物复合材料又被发现具有负介电常数，有望作为左手材料提供特殊的电磁性能，而负介电常数的产生机理还没有被清晰阐述。本项目在研究过程中也着重分析了特殊材料体系负介电常数的产生机制。该研究工作为实现CNFs/聚合物复合材料介电性能的可控设计提供了技术基础。