高介电常数树脂基复合材料的研究进展

高介电常数树脂基复合材料的研究进展

吴伟萍

（哈尔滨玻璃钢研究院，黑龙江 哈尔滨 150036）

 

摘  要：高介电常数树脂基复合材料是目前应用频率普遍较高的新型材料，由于其本身加工及介电等优势性能十分突出，因此在应用领域中人们对于该项材料的关注度也呈现增高趋势，在技术水平不断上升的时代背景下，其应用潜能也将不断放大及拓展，因此这也将会为未来材料应用类型的不断更新提供基础保障，相对的在学术领域中也将该项材料纳入到了重点研究范畴中。因此采取何种方式对高介电常数的优势性能进行量化提升也就显得直观重要。从改善其分散性为切入点，重点阐述了该复合材料的研究进展。

关键词：高介电常数；树脂基复合材料；结构特性

 

高介电常数材料本身由于性能特点涉及层面较广，使得其应用范围也呈现出了广泛性价值优势，而树脂基复合材料对加工工艺的要求不高，能够快速适应加工环境，并且该材料可以根据实际需求进行符合性设计，这就为高介电常数的研究及开发提供了基础保障，相对的研究进程也会因此而加快，因此在目前研究领域中高介电常数树脂基复合材料已经逐渐成为主流研究方向。从本质上来看，该材料由于介电常数存在一定差异，因此可以以渗流理论为基础，对其进行区别划分。

1 以改善分散性为基准的导体、树脂复合材料

通过对可靠资料进行研究可以发现，树脂基复合材料的介电功用与性能发挥本体在树脂基中存在一定的分散性，与此同时，该性能与二者之间的依存平台存在较强的关联性。为了促使其性能特性更加稳定，就需要从其分散性入手，通常情况下优化转变其分散性频繁使用的方法就是应用化学手段，对其无机功能体进行做出改变，但是在应用此种方法时却会产生相应弊端性问题，使得导体本身的电导率有所下降，因此在开展研究工作时，其侧重点就在应用何种方法改善化学方法引起的问题，在此基础上对改善分散性的物理方法进行深入研究及探索。

1.1导体／树脂复合材料

首先，需要在多壁碳纳米管中加入适量的膨胀石墨，而后在高速搅拌的作用下，就能获得相应三元复合材料。在实践分析及研究环节能够进一步发现，膨胀石墨在融入复合材料中以后，其整体性能也有所提升，一方面这能够为多壁碳纳米管的分散提供促进因子，另一方面其内部存在的交缠问题也能够得到有效改善，这在实践中都能够得到进一步证实，除此之外，该材料在整体融入后，还能在低含量填料环境中促使具有导电性能的通路逐渐产生，从而使得复合材料的相应值量有所下降。与二元复合材料进行对比研究可以发现，三元应用优势更加显著，并且该材料能够在膨胀石墨整体占有量较低的情况下将介电常数进行优化提升，相对的介电损耗也会有所下降，导致该类现象出现的直接原因就是受到多壁碳纳米管及膨胀石墨的共同影响。

1.2导体／绝缘体／树脂复合材料

通常情况下在导向网络产生的过程中，介电损耗量会随之加速上升，在针对此项内容进行研究时，相关学者也试想过用半导体或者是绝缘物质对导体进行缠绕及覆盖，虽然这能够在一定程度上阻挡各个导体之间相关连接及反应，但是这种方法的控制难度却会相对增加，并且电导率的产生量由于受到包裹层的直接影响也会呈现出下降趋势，这就会使得渗流阈值（ｆc）逐渐上升，这不仅会对其自身性能的发挥造成阻碍性影响，符合材料的固体凝结及相应性能也会受到不良作用。

在进行研究的过程中，为了实现对主体内容及结论的进一步验证，还可以将三种具有相应属性的材料融入应用到主体结构中，这就会形成复合结构，其优势性能也会有所增加，其中最为明显的就是电导率及溶解性超强，基本可以达到最佳应用指标。在这一过程中还可以应用超支化聚苯胺（HSiPA）的结构性能与多壁碳纳米管（MWCNT）的表面结构之间产生的协同功效，在其作用能够充分发挥的基础上，就能对超支化结构进行综合判断，从而以此为依据就可以对覆盖层次做出合理分配。在这一实践背景下所得到的复合材料的渗流阈值就会被控制在相应标准内。

1.3导体／陶瓷／树脂复合材料

陶瓷／树脂复合材料与导体／树脂复合材料的性能优势都十分显著，并且各自都独具特色，但是为了得到high-k的陶瓷、树脂复合材料就需要在其中融入标准数量的陶瓷填料，后者虽然在应用环节可以适当减少对导体物质的应用，但是一旦渗流现象产生，该种复合材料的介电损耗就会随之增加。为进一步探究导体与陶瓷填料的界面作用对导体／陶瓷／树脂三元复合材料的介电性能的影响，用γ－氨丙基三乙氧基硅烷（ＫＨ５５０）和钛酸酯偶联剂（ＴＣ－ＷＴ）分别对ＣＣＴＯ和ＥＧ进行表面处理，制备了ｍＥＧ／ｓＣＣＴＯ／ＣＥ三元复合材料。研究结果表明，改性后的ＥＧ和ＣＣＴＯ都能更好地分散在ＣＥ树脂中，与基体树脂有着更强的界面作用力。当导体填料接近ｆｃ时，ｍＥＧ／ｓＣＣＴＯ／ＣＥ复合材料比ＥＧ／ｓＣＣＴＯ／ＣＥ复合材料具有更高的介电常数和更低的介电损耗。

2 基于新颖空间结构的设计制备high-kRMCs

2.1导体在树脂中的空间分布调控

介电性能与导体在复合材料中的空间分布密切相关，但是实现导体在树脂基体中的可控分散与分布却是一个难题。我们以聚醚酰亚胺（ＰＥＩ）和改性双马来酰亚胺（ＢＤ）为基体，制备了具有海岛结构、双连续结构、相反转结构的系列ＭＷＣＮＴ／ＰＥＩ／ＢＤ三相复合材料。研究发现，在ＭＷＣＮＴ／ＰＥＩ／ＢＤ三相复合材料中，ＭＷＣＮＴ选择性地分布在ＢＤ相中，同时倾向于在ＰＥＩ相稠周围富集并沿着平行于ＰＥＩ相稠球半径法向平面排布，增加了复合材料微电容的数量，并使复合材料的介电性能产生显著变化。

2.2导体取向复合材料

研究发现，导体取向可以影响复合材料的局部电容。但是，在ｈｉｇｈ－ｋ　ＲＭＣｓ的报道鲜见。我们建立了通过微波固化获得ＭＷＣＮＴｓ在基体中良好分散并一定程度取向的方法。与传统热固化制备的复合材料（ｔ－ＭＷＣＮＴ／ＥＰ）相比，微波固化制备的复合材料（ｍ－ＥＧ／ＥＰ）具有更高的介电常数和更低的介电损耗。此外，我们首次在不引入溶剂的前提下，利用抽真空技术使ＥＧ内部空隙产生负压，结合微波固化的工艺制备了ｎｅｗ－ＥＧ／ＥＰ复合材料，ＥＧ能很好地分散在ＥＰ中，该方法简单、绿色环保。

具有ｈｉｇｈ－ｋ、低介电损耗、低成本以及良好加工性能的ＲＭＣｓ具有广阔的应用前景。近年来，我们以导体／树脂复合材料为主要研究对象，重点围绕新型功能体的制备、界面结构与效应、新颖复合材料空间结构的设计与构筑等方面展开了研究工作。考察了决定ＲＭＣｓ介电行为的主要因素，制备了兼具低介电损耗、低ｆｃ和ｈｉｇｈ－ｋ的新型ＲＭＣｓ，探讨了介电性能改善的本质与机制。由于ｈｉｇｈ－ｋ　ＲＭＣｓ的应用领域广泛，而不同的领域对材料介电性能的要求存在差异，今后应加强从实验室到工程应用转化方面的工作，并凝练工程应用中出现的新的关键科学问题展开研究，积极推进ｈｉｇｈ－ｋＲＭＣｓ的研究与开发水平和进程。

参考文献

[1]王炳昊.高介电常数低介电损耗层状树脂基复合材料的研究[D]. 苏州：苏州大学,2013.

[2]王童星.新型功能石墨烯及其高介电常数低介电损耗环氧树脂基复合材料的研究[D].苏州：苏州大学,2015.