钛酸锶钡包覆碳纳米管的可控制备及对其复合材料介电性能的双重作用

How to control the thickness and the morphologies of shell in the preparation of core−shell structured inorganic nanohybrid materials, and how to depress the leakage current of percolative polymer composites and reduce the sensitivity to the content of conductive fillers, are key problems to be solved in their perspective fields. Association of the two problems will be established in this research with the core−shell structured inorganic nanohybrids as the fillers. First, the core−shell structured barium strontium titanate coated carbon nanotubes (CNTs) are synthesized by using the surfactant-facilitated impregnation-sintering technique developed by ourselves while the roles of the surfactant structure on the shell thickness and morphologies are clarified. The consequent core−shell structured nanohybrid materials are to compound with epoxy resin. Introduction of an insulating barium strontium titanate barrier layer with high dielectric constant between the conductive CNTs and the polymer matrix prevents percolation after direct contact between conductive particles in the composite dielectric. Consequently, the dielectric constant is improved and percolation within the material of the compound leakage current is reduced, which shows good stability with variations in filler content. This research offers a new access to the preparation of core−shell structured nanohybrid materials, and a new path to control the dielectric properties of percolative composites. Therefore, sponsorship for this application will be sure to help the design and preparation of nanocomposites.

控制核壳型无机纳米杂化材料制备中壳层的厚度及形态，克服渗流型聚合物基复合电介质材料在渗流阀值附近的漏导和对导电填料含量过于敏感的缺点，分别是各自领域存在的难题。本申请将这两类问题相关联，首先利用课题组开发的表面活性剂辅助浸渍-烧结技术，合成具有核壳结构的钛酸锶钡包覆碳纳米管（CNT）杂化材料，并阐明表面活性剂结构对壳层厚度和形态的影响规律。然后以此为导电填料与环氧树脂复合，通过在聚合物与CNT之间引入高介电常数、绝缘的无机材料界面层，控制该复合电介质材料发生“绝缘体-导体”转变所形成的高电导率和增大的损耗，在利用渗流效应提高介电常数的同时保持较低介电损耗，并通过调节核壳结构纳米杂化填料的表面厚度、几何参数、表面改性等，实现对复合电介质材料宏观介电性能的调控。工作为制备核壳型纳米杂化材料提供一种方法，为控制渗流型复合材料的介电性能提供一个思路，本申请将对纳米复合材料的设计具有重要意义。

本项目基于高介电常数低介电损耗聚合物基复合材料为核心，设计合成多种结构的高介电杂化填料，通过对填料表面的修饰改性来引入特殊界面层，从而制备具有不同表面结构的杂化填料。最后通过调控填料与聚合物基体之间的界面相互作用，从不同维度来提升复合材料的介电性能，同时在此基础上也进行了一些应用探索。主要研究内容概括如下：（1）利用溶胶-凝胶法成功制备了高介电陶瓷钛酸锶包覆MWCNTs的杂化粉体，实现了钛酸锶在MWCNTs表面的颗粒附着、部分包覆和完全包覆。与环氧树脂复合后制备的复合材料可以在极低的填料添加量下，介电常数在1 kHz时可达到283，介电损耗仅为0.07。当填料含量为5 wt％时，复合材料拥有最高的击穿强度和储能密度。钛酸锶在作为阻隔层有效抑制复合材料介电损耗的同时，自身的高介电性能也对复合材料的介电常数起到增益效果。（2）首先通过溶胶-凝胶法成功将钛酸钡纳米粒子附着在MWCNTs表面得到杂化填料，然后再通过原位聚合的方法得到聚合物和高介电陶瓷纳米粒子复合包覆MWCNTs的三元核-壳结构。最后与环氧树脂复合以制备高介电、低损耗聚合物基复合材料。在该体系中，钛酸钡纳米粒子的加入可显著提高了复合材料的介电常数。发现超支化聚酰胺在改善复合材料的介电性能和击穿强度方面也起着重要作用。首先，超支化聚酰胺可以防止钛酸钡从MWCNTs的表面的掉落。其次可以有效地提高填料的分散性。最后可以防止MWCNT彼此接触形成导电网络，抑制局部漏电流的产生，从而有效地提高了导电填料/聚合物复合材料的击穿强度。（3）通过两步水热法成功合成了一维陶瓷钛酸铜钙纳米线并将其与环氧树脂复合，该复合材料具有更高的介电常数，并且介电损耗都保持在一个较低的数值（<0.05）。并通过引入锶元素合成Sr2+掺杂钛酸铜钙纳米线。与硅橡胶复合后所制备的复合材料表现出极低的介电损耗，并且在较宽的频率范围内有着稳定的介电常数和介电损耗。项目基本实现了项目最初的设想，并发展出了一些有益的研究成果。