原位聚合法制备高介电(碳纳米管-酞菁铜)/聚酰亚胺纳米复合材料的研究

With the development of embedded passive technology in IC integrated package and the enhanced requirements for capacitance density of capacitor, the development of high dielectric polymer matrix composites has become the key factor affecting the micromation, high speeding of electronic components. This project aims to obtain flexible high dielectric nano-composites with polyimide (PI) as matrix and carbon nanotubes-phthalocyanine copper oligomer (CuPc) as fillers by making use of the low percolation threshold of CNTs and the high dielectric feature of CuPc. Firstly, modification of CNTs and preparation of carboxyl CuPc will be carried out and CNTs-CuPc will be obtained by encapsulating a thin layer of CuPc on the surface of CNTs through esterification reaction. Then, (CNTs-CuPc)/PI nano-composite will be prepared by in-situ polymerization method. CuPc works as "bridge" between CNTs and PI to promote even dispersion of CNTs-CuPc in the matrix and improve the iterfacial structure of the composite system. The influence of each component's physical and chemical properties, ratio, compatibility on the dielectric behavior of the composites will be studied experimentally and theoretically by optimizing processing parameters of composites. And the high dielectric mechanism of three-component dielectric nano-composites will be investigated. Realization of the research goal will help to promote the fast development of micro-electronic industry.

随着IC 集成封装中嵌入式无源技术的发展及对电容器电容密度要求的提高，高介电聚合物基复合材料的发展成为影响电子器件微型化、高速化的关键因素。本项目以聚酰亚胺(PI)为基体，以碳纳米管-酞菁铜（CNTs-CuPc）为填充物，主要利用CNTs的低渗流阈值和CuPc的高介电性，以期获得柔性高介电纳米复合材料。首先对CNTs进行改性、制备羧基CuPc，通过酯化反应在CNTs表面包覆一薄层CuPc获得（CNTs-CuPc）。然后通过原位聚合法制备（CNTs-CuPc）/PI纳米复合材料，使得CuPc在CNTs与PI之间起到"桥连"作用，促使CNTs-CuPc在基体中均匀分散、改善复合体系的界面结构。通过对复合材料制备工艺参数的优化，从试验和理论上研究各组分的物化性质、配比及相容性对复合材料介电性能的影响规律，探索三组分纳米复合介电材料高介电的形成机制。研究目标的实现将有助于推动微电子工业的快速发展。

随着IC 集成封装中嵌入式无源技术的发展及对电容器电容密度要求的提高，高介电聚合物基纳米复合材料的发展成为影响电子器件微型化、高速化的关键因素。因此，本项目提出了以聚酰亚胺(PI)为基体，以碳纳米管-酞菁铜（CNTs-CuPc）为填充物制备柔性高介电纳米复合材料的研究思路。在本项目实施过程中，为了探讨利用CNTs制备聚酰亚胺基纳米复合材料的可能性，本项目首先以聚酰亚胺(PI)为基体，以羟基化碳纳米管为填料，制备了聚酰亚胺/碳纳米管纳米复合材料，并分析了CNTs含量以及制备条件对聚酰亚胺/碳纳米管纳米复合材料性能的影响。结果表明纳米复合材料的导电性能和介电性能随碳纳米管含量增加而有所提高，而且在渗流阈值附近具有较大的提高幅度，并且纳米复合材料仍具有较好的热稳定性。与此同时，我们利用微波反应制备了羧基CuPc，通过溶液方法制备了CNTs-CuPc复合填料，并研究了复合填料的形态结构和性能，结果表明碳纳米管表面成功包覆了一层酞菁铜，在有机溶剂中具有更好的稳定性。我们利用CNTs-CuPc复合填料制备了CNTs-CuPc/PI纳米复合材料，CNTs-CuPc在纳米复合材料中能够均匀分散，在渗流阈值附近具有较低的介电损耗和较高的介电常数。同时为了进一步分析导电填料对聚合物基体纳米复合材料的影响，使研究更加全面，我们又补充了更多的研究内容，扩大了聚合物基体和导电填料的种类，研究了碳纳米管/聚氨酯、碳纳米管/聚偏氟乙烯以及聚苯胺/聚偏氟乙烯纳米复合材料的介电性能。结果表明纳米复合材料的介电性能和添加填料的种类、聚合物基体种类等具有非常密切的关系。上述研究结果将为设计高介电纳米复合材料提供必要的应用基础性科学依据。