碳纳米管类流体超高介电响应、调控及特性研究

本项目通过碳纳米管的表面功能化制得了无溶剂条件下具有类似液体能够粘性流动的碳纳米管类流体（CNTFs），该类新型纳米功能材料展现出独特的超高介电效应和性能可调性。研究发现：100Hz下，样品在类流体含量为4%时，介电常数达到1800，当含量为16%时，介电常数更是高达2577，介电常数稍低的另一系列样品也保持在80-470范围内，比单一PZT或常用聚合物介电常数高出数十至数百倍。与此同时，我们还发现CNTFs具有很好的形成有规阵列的组装特性，其介电性能有可能得到更大的提高。这些现象的发现，可望实现高介电、易加工、小密度纳米器件和介电材料设计和制备的突破，并在电容器、电缆终端以及吸波材料等领域发挥巨大作用。本项目旨在通过研究CNTFs纳米结构-介电性能的关系，揭示高介电响应的产生机制，实现CNTFs介电性能的调控，并制备出兼具优良加工性能（类液体性）和超高介电性于一身的新型介电材料。

本项目采用碳纳米管表面有机接枝的方法合成了粘度不同的三种碳纳米管类流体(CNTFs)，并与PZT进行共混制得了具有高介电的CNTFs/PZT复合材料。压片试验证实：对粘度较低的PEG-MCNTs/PZT样品适宜的压片条件为：60℃/2-10Mpa/5%-60%；对粘度较高的DC5700-MCNTs/PZT和DC5700:NPES-MCNTs/PZT样品适宜的压片条件为：60℃/15Mpa-20Mpa/10%-70%。样品介电研究发现：100Hz下，DC5700-MCNTs/ PZT的介电常数高达900-1484，高频区（约7×10^6Hz），所有样品的介电常数仍然大于95。PEG-MCNTs/PZT体系的介电常数保持在140-475之间，高频区的介电常数保持在78-135。相比传统的高介电聚合物，CNTFs/PZT复合材料具有介电高的优势，而相比单一PZT陶瓷，其易于加工的优势十分明显，该纳米复合材料兼具优良加工性能和超高介电性于一身，可望在纳米系统、能源材料等方面有着重大的应用前景。与此同时，DC5700-MCNTs呈现可控的纳米组装特性，即通过碳纳米管的表面接枝能够实现碳纳米管表面亲水或亲油特性的控制，结合不同的溶剂，能够实现碳纳米管无基质/模板的自组装。该研究结果为制备具有特定尺寸和形状的纳米组装结构提供了一条新的途径，并在分子电子学、智能微系统以及新型纳米器件等方面实现应用。