耐高温薄膜电容器用聚芳醚腈的合成与聚集态结构控制

Due to their outstanding electric properties and high reliability, organic polymer film based capacitors are considered as the most promising candidate in the thin film capacitor, while the high temperature resistant organic polymers are the key materials for the fabrication of thin film capacitors because of their higher thermostability, better dielectric-frequency and dielectric-temperature relationship. Currently, the most frequently used polymer matrix of polyimide (PI) for capacitor fabrication is disadvantageous because of poor thermal-stability in humid conditions. Therefore, we have synthesized crosslinked reactive polyarylene ether nitrile and controlled their molecular weight and distribution. Next, the thermoplastic PEN films have been fabricated by solution casting and then were subjected to mild thermal processing and optimization of processing parameters as well as crosslinking procedure. In this case, the ordered micro-phase of macromolecules has been effectively fixed at polymeric network to obtain polymer dielectric films showing excellent thermal stability and dielectric properties. Finally, various inorganic fillers including carbon nanotubes, grapheme, barium titanate, have been surface modified, dispersed and annealed in polymeric matrix to obtain organic-inorganic hybrid dielectric films that can be used in high temperature resistant thin film capacitors.

有机聚合物薄膜电容器凭借良好的电工性能和高可靠性，是薄膜电容器领域内发展速度最快的品种之一，而耐高温有机聚合物介质薄膜因具备更高的耐热级别、更优秀的介频与介温稳定性，被认为是薄膜电容器件中的关键材料。目前，耐高温介质薄膜电容器广泛使用的聚酰亚胺薄膜（PI），存在耐湿热性差的缺陷，限制了其更广阔领域的应用。因此本项目拟通过分子设计合成具有热交联特性的反应性聚芳醚腈，采用技术手段实现聚合物分子量大小及分布的可控性。此后，通过溶液流延法制备聚芳醚腈热塑性薄膜并且以温和的交联方式使薄膜发生化学交联，通过对薄膜加工工艺及交联固化过程的精确控制，实现大分子有序区在聚合物网络中的有效固定，从而得到具有极高热稳定性、介电性能稳定的聚合物介质薄膜。最后采用碳纳米管、石墨烯、钛酸钡等为高介电填料，通过填料界面处理、分散控制及后热处理等工艺控制，获得可用于耐高温薄膜电容器的有机无机复合介质薄膜。

在卫星通信系统及军事国防工业的高精度电路中，均需要薄膜电容器能在更宽温度范围稳定工作，这就对材料的制备提出了新的要求，因此制备耐高温、介电性能稳定的有机聚合物介质薄膜具有重大的科学研究与工业应用价值。本项目以聚芳醚腈为聚合物基体材料，从聚芳醚腈的合成及分子量控制、耐高温聚芳醚腈介 电薄膜的制备及其微结构控制以及聚芳醚腈复合介电薄膜等三方面展开研究，集中解决了高性能耐高温聚芳醚腈介电薄膜制备及其针对不同用途的功能化研究。首先，通过分子设计，改变结构单元，合成了一系列结晶型及可交联聚芳醚腈。研究化学结构、组成、 分子量及分子量分布对聚芳醚腈基本性能的影响规律。 其次，研究链端的邻苯二甲腈在高温下交联反应特性及稳定性结构的控制方法，探索热处理温度、时间等将对聚合物交联结构与电学性能的影响。 最后，应用多种无机纳米填料（钛酸钡、氧化石墨烯、二氧化钛等），通过多种化学及物理方法对交联薄膜进行功能化，获得高介电、高耐压等不同规格的有机聚合物介质薄膜。研究结果表明，当可交联聚芳醚腈的自交联温度为350℃，交联时间为5 h时，TR-PEN350薄膜的Tg高达370.5℃，薄膜的拉伸强度和模量分别提高了29%和44%。介电膜在300°C下具有较长的使用寿命（4.5×104分钟，残余重量的95 wt％），介电常数的温度系数从50到300°C的范围内小于5×10–4 ℃–1。与室温下相比，TR-PEN350在300°C时的能量密度保持率高于80％。因此，TR-PEN350膜可在高达300°C的温度下长期用作电容器膜。