耐高温介电材料的微观结构构筑及功能化研究

Most dielectric polymer materials exhibit poor stability of dielectric properties over a wide range of temperature and frequency, due to their low glass transition temperature. Aromatic and heterocyclic polymers (PBZ) are characteristic of lightweight, high mechanical strength, high modulus and high thermal stability. The parallel π orbitals of the conjugated polymers can form extensive delocalized molecular orbitals, resulting in swimming polarization, which can significantly increase the dielectric constant of the material. Based on the unique structure and excellent dielectric properties of the polymer, we plan to graft the benzoxazole ring, which are the same structural units as in PBZ, on the modified graphene via controlled polymerization. In this project, we plan to study the morphology of graphene surfaces and the orientation of graphene structures in composites. The relationship between the metal surface structures of the dielectric films and the properties such as dielectric constant, dielectric loss, breakdown strength and the maximum service temperature of the composite films is also investigated. . Through the project, we are expecting an enhanced temperature resistance, a wide service range of temperature and frequency, and improved dielectric properties. Meanwhile, we will study the mechanism between the structure and property to extend theoretical and experimental foundations for the preparation of high temperature resistance and high-energy storage dielectric materials.

一般聚合物介电材料由于玻璃化温度较低，在宽温域宽频域范围内的介电性能稳定性较差。芳杂环类共轭聚合物(PBZ)具有轻质、高强、高模与耐高温的特点，共轭结构中相互平行的π轨道组成大范围离域分子轨道，可显著提高材料的介电常数。基于这类兼具独特结构和优异介电性能的聚合物，本申请拟采用可控聚合的方法，将含与PBZ结构单元相同的苯并噁唑环链段接枝到改性的石墨烯片层上，系统和深入地研究改性石墨烯表面不同形貌结构；复合体系中改性石墨烯的分散性和取向结构；介电薄膜表面金属化方法和结构，从而获得复合薄膜的介电常数、介电损耗、击穿强度和最高使用温度等性能与结构的关系。. 通过本申请的研究，旨在最大程度上达到高耐温性、宽频宽温域、高介电常数、高击穿强度的性能，探索结构功能一体化的作用机制，为制备耐高温高介电储能材料提供理论和实验依据。

近年来高介电常数材料由于充放电速率快等优点备受关注，实现高介电材料的优异功能和耐环境稳定性结构一体化研究，将对新一代电子设备的设计、组装和应用具有重大意义。本项目针对当前介电材料储能密度较低和工作温度有限的热点和难点，设计和构建了一系列以纳米导电填料为主体的聚合物基介电复合材料。通过对纳米导电填料进行功能化修饰和微观结构构筑，改善填料在基体中的分散性，增强填料与基体之间的界面相互作用。设计多种核-壳结构和多相复合的新型结构，将多种填料的优势耦合于一体，探讨其在介电复合材料中的作用机理。阐明填料微观结构、材料宏观结构与介电性能之间的内在联系和作用机制，为耐高温高介电材料的研究及应用提供有效的基础数据。. 项目探究了零维碳材料碳纳米球(CS)对聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)介电性能的影响，创新性地采用原位聚合法制备制备性能更加优异的介电复合材料。研究了一维碳材料多壁碳纳米管(MWCNTs)和半解开碳纳米管(PUCNTs)对复合材料的介电性能影响，大幅度提升了聚合物基体的介电常数。创新性地设计和制备以二维碳材料石墨烯(rGO)为基础的系列复合纳米粒子，通过微观结构设计大大提高了石墨烯在基体中的分散性，阻止了导电通路的产生从而降低介电损耗；设计了宏观层层结构，制备了高性能介电复合材料。构筑了Fe3O4@C@PANI双层核壳结构，大幅度提升了纳米微球与基体中的相容性，进一步提高介电常数，并有效降低了介电损耗。合成了两种新型酰亚胺改性苯并噁嗪树脂，其介电常数随着频率的变化保持稳定，且介电损耗极低、波动小，与一般树脂相比，在耐高温介电复合材料领域具有很大的应用潜力。. 项目执行期间，在J. Mater. Chem. A.、Composites Part A等期刊发表标注有本课题资助的论文16篇，被SCI 他引200 余次。引用期刊包括Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.等综述性期刊以及Adv. Sci.、Prog. Polym. Sci.、Nano Energy、Macromolecules、Polymer等专业期刊。申请国家发明专利10项，其中授权5 项。四年指导毕业博士研究生4 人，毕业硕士研究生9人。