碳纳米管/聚（偏氟乙烯-三氟乙烯）复合材料的磁场辅助制备及介电性能影响机理研究

Due to the wide important application of the polymer-based composites with both high dielectric constant and high dielectric strength in such fields as electrical and electronic engineering, the project will propose the preparation of CNTs/P(VDF-TrFE) composites using ferroelectric copolymer P(VDF-TrFE) as matrix and CNTs as filler, and the formation of "super capacitor network" structure by percolation and the alignment of CNTs in polymer matrix. In the attempt to prepare high energy density composite materials with high dielectric constant in the low CNTs content, the effects of the contents, aspect ratio and pre-treatment process of CNTs, and heterogeneous process on the dielectric properties and interface structure of the polymer-based composites will be studied. Compared to polymer-based composites with the high-dielectric ceramic or metal and its oxide, CNTs/P(VDF-TrFE) composites is lower density and flexible. As a consequence, the embedded capacitor may be achived miniaturization, lightweigh, fast and stabilization, which will help to promote the rapid development of information.functional materials and microelectronics industry.

开发超高介电常数、高抗电强度的新型高储能密度纳米复合材料具有重要的科学意义和实用价值。本课题提出以预处理（强化磁性）的碳纳米管（CNTs）与铁电共聚物聚（偏氟乙烯-三氟乙烯）（P（VDF-TrFE））复合，利用CNTs在聚合物基体中取向排列实现“超电容网络结构”的构建。研究CNTs的含量、长径比、前处理方法以及多相复合手段等对性能及界面结构的影响规律，期望在较低CNTs含量时即可获得超高介电常数、较低介电损耗、综合性能优异的高储能密度介质材料。与传统添加高介电陶瓷或金属及其氧化物微粉的聚合物基介质材料相比，这种材料密度小且可挠曲，可实现嵌入式电容的小型化、轻量化、快速化及稳定化，将有助于推动信息功能材料与微电子工业的快速发展。

本项目旨在获得高储能密度介电材料，目前普遍认为高介电常数、高抗电性能是电介质材料获取高储能密度的主要途径。根据研究任务要求，开展了高介电常数电介质材料制备、成型、部分物理性能测试等方面实验研究。研究内容包括： .① 镍包覆碳纳米管(Ni-CNTs)/聚（偏氟乙烯-三氟乙烯）[P(VDF-TrFE)]Ni-CNTs/P(VDF-TrFE)体系：选取两种P(VDF-TrFE)(VDF:TrFE摩尔比分别为80：20和70：30)作为基体，采用Ni-CNTs作填料。为了强化Ni-CNTs在基体中的良好分散及取向排列，将复合材料溶液放置于磁场中进行烘干。SEM显示Ni-CNTs在P(VDF-TrFE)基体中分散均匀且呈平行排列。当频率为100Hz时，在渗流阈值附近，两类Ni-CNTs/P(VDF-TrFE)复合材料的介电常数可分别达到167和150。但介电损耗仍较大，下一步将针对降低介电损耗作进一步深入研究。.② GNP/P(VDF-TrFE)复合体系：以P(VDF-TrFE)（VDF:TrFE摩尔比为55：45）为基体，以石墨微片(GNP)为导电相，采用溶液法制备样品，确定GNP/P(VDF-TrFE)复合材料的制备工艺及参数。研究发现，这类材料的渗流阈值较低，仅为1.72vol.%左右。当GNP含量接近渗流阈值时，复合材料介电常数高达1468。GNP特殊的片层结构在P(VDF-TrFE)中均匀分散时能够形成一个个的微小“电容器”，这些微小“电容器”共同作用的效果在宏观上表现为材料介电常数的提高。.③ PVDF/Ni/GNS体系选择及磁场中取向：以聚偏氟乙烯(PVDF)作为基体，添加镍粉(Ni)和石墨烯微片(GNS)，通过配比优化，确定PVDF/Ni/GNS复合材料的制备工艺及参数。在制备过程中外加磁场辅助填料取向排列，得到了一类具有较特殊微观结构的电介质材料。SEM显示填料在PVDF基体中分散均匀，且GNS呈平行排列。填料的加入提高了PVDF中极性相的相对含量。当频率为100Hz 时，在渗流阈值附近，PVDF/Ni/GNS复合材料的介电常数可达到64，介电损耗低于0.4。复合材料的热导率也有所增加。此外，这类材料的原材料成本较低，获取容易，有潜在的应用前景。.本项目通过多体系研究了微观结构设计和制备工艺对提高聚合物基复合材料介电性能的影响规律，取得了较好的研究成果。