基于表面修饰的纳米碳材料制备聚合物基纳米复合材料及其介电性能研究

Dielectric percolative polymer composites have been identified as a promising method to fulfill the material requirements for high dielectric materials. However, the dielectric constant will increase singularly near the percolation threshold. Therefore, the tiny deviations of the quantity of fillers cause an enormous change of dielectric constant that bring risks to practical application of the composites. Introducing the coating layer on the surface of filler particles to block the formation of the conductive path is one of the most effective ways to improve composites dielectric properties. Starting with design and synthesis of different kinds of coated nano carbon materials (carbon nano tube, graphene), by methods of π—π conjugate stack, in-situ reaction, tightly focus on the relationship between the structure and properties of functional polymeric materials, this project studies the influence law of coating properties, coating thickness, coating ways on dielectric properties of composites, discusses the relationship between the filling material structure and dielectric properties of composites. A systematic study of the coating structure influence on delocalized electron. Through fabrications of nano carbon materials with ideal coating structures, regulation the electron delocalization energy of filler, prepares of high dielectric constant, low dielectric loss composite materials with application prospect, promote the development of high dielectric materials .

渗流型聚合物基复合材料是一种具有前景的高介电常数复合材料，但其介电常数只有在接近渗流阈值时才能迅速增大，填料量的微小偏差会引起介电常数的巨大变化，从而会为介电材料的实际应用带来很大风险，在填充材料表面引入包覆层阻止体系中导电路径的形成是改善其介电性能的有效途经之一。本项目从设计、制备包覆结构的纳米碳系材料（碳纳米管、石墨烯/纳米石墨微片）入手，通过π-π共轭堆积、原位反应、接枝修饰等方法制备不同包覆结构的纳米碳材料，研究基于表面修饰的纳米碳材料制备聚合物基纳米复合材料介电性能的变化规律，紧紧围绕高分子功能材料的结构-性能关系，探讨包覆层类型、厚度以及包覆方式与复合材料介电性能的关系。系统研究不同包覆结构对纳米碳材料离域电子的影响，通过构筑理想的纳米碳材料包覆结构，调控填充材料的电子离域能，制备有应用前景的具有高介电常数、低介电损耗聚合物基复合材料，推动我国高介电常数材料的发展。

聚合物电介质复合材料是高储能密度电容器的关键材料，可以在极短的时间内将储存的电能进行释放，产生极大的能量脉冲，这一特性使其被广泛应用于激光生成器以及先进电磁系统等一系列需要高功率密度的领域中。复合材料体系中导电填料或者高介电常数填料含量的微小偏差会引起介电常数的巨大变化，从而会为电介质材料的实际应用带来很大风险，在填充材料表面引入包覆层是改善其介电性能的有效途经之一。.通过π-π共轭、原位包覆、化学接枝三种方法方法制备了不同包覆结构的纳米碳材料，并与磺化聚醚醚酮复合得到三种不同体系的复合材料。研究表明，化学接枝的方法打破了sp2杂化体系，破坏了碳材料表面的二维金属键，使得复合材料的介电常数小幅降低，同时也具有三种体系最低的介电损耗和最高的介电强度，可以在较低的电压下实现高的能量存储能力。以超支化酞菁对钛酸钡纳米颗粒进行了表面化学修饰，一方面通过相似相容原理增强纳米钛酸钡与聚醚砜基体之间的相互作用，减少纳米钛酸钡和聚合物间的缺陷，增加纳米钛酸钡的分散性。另一方面高介电常数有机半导体材料的修饰结构，能够实现在较低填充量下复合材料就具有良好的介电性能和高的能量密度，研制得到的复合材料具有高介电常数及良好的电击穿性能，是一类可在高温高场下使用的介电复合材料。.从分子结构设计的角度出发，设计了一类以聚芳醚酮-聚硅氧烷嵌段共聚物为基体，以钛酸钡粒子作为压电相，多壁碳纳米管为导电相的压电阻尼材料。该嵌段共聚物具有刚性和柔性链段的微相分离结构，可以极大地增加分子链段之间的摩擦，从而在宽温域内有较好的阻尼性能。该材料体系中聚芳醚酮类材料不仅具有良好的机械性能而且在高温下热稳定性良好，而聚硅氧烷是一种常见的橡胶材料其具有良好的疏水性可以提高材料在高湿环境下的抗潮性，而嵌段共聚物可以很好的将两者的优点集合于一体，从而获得一种可以在高温高湿条件下使用的压电阻尼材料。