钛酸钡/聚间苯二甲酰间苯二胺介电复合材料的制备及研究

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聚合物基电介质材料目前已广泛应用在各种电子器件中,如电容器、电感器中。随着新能源产业如混合动力汽车、风力涡轮发电机、地下油气勘探、航电产业等兴起,对聚合物基电容器的耐高温性能要求越来越迫切。基于上述背景,需要制备耐高温的聚合物基介电材料,以满足其在高温环境中的应用。聚间苯二甲酰间苯二胺(PMIA)是一种高性能芳香族聚酰胺,有极佳的热稳定性、电绝缘性、机械加工性等,已广泛应用于防护服、锂电池隔膜、绝缘纸、蜂窝结构材料等领域。本文以PMIA为基体制备耐高温的介电复合薄膜,由于PMIA的介电常数低,因此将高介电常数的钛酸钡(BT)纳米填料添加到PMIA基体中来提高复合薄膜的介电常数。为了改善两相的界面相容性,本文先用过氧化氢对BT纳米颗粒进行羟基化处理,而后将十八烷基异氰酸酯接枝到羟基化BT纳米粒子表面,将接枝了十八烷基异氰酸酯的BT纳米粒子(f BTNPs)加入PMIA基体中,制备得到加了不同f BTNPs含量的PMIA基复合材料。通过红外研究了复合粒子表面官能团变化,通过热重研究复合薄膜和复合粒子的热稳定性,利用XPS分析材料的元素成分和相关的化学键种类,并通过扫描电镜观察复合薄膜的断面形貌,用宽频介电阻抗谱仪测试添加不同含量f BTNPs的PMIA基复合薄膜的介电性能。结果表明,十八烷基异氰酸酯成功地接枝到BT纳米颗粒表面,且经过改性后的BT纳米颗粒改善了与PMIA基体的相容性;在PMIA基体中,BT纳米粒子和f BTNPs颗粒的加入都能有效的提高复合薄膜的介电性能,且f BTNPs/PMIA复合薄膜的介电性能优于BT/PMIA复合薄膜。然后采用水热法合成钛酸钡纳米线(BTNWs),并通过改变钛酸盐合成温度制备不同长径比的BTNWs。研究发现,当钛酸盐合成温度从130℃升高到250℃时,BTNWs的长径比从7.2线性增加到46。用PVP对BTNWs进行表面改性,制得P-BTNWs复合填料,然后将复合填料添加到PMIA基体中,制备P-BTNWs/PMIA复合薄膜,测试其介电性能,结果表明,复合薄膜的介电常数与纳米线的长径比成正比,且相较于f BTNPs,P-BTNWs的添加对提高复合薄膜的介电常数效果更好;添加10 wt%P-BTNWs的复合薄膜在-20℃-250℃温度范围内,其介电性能和电导率较稳定,这种温度不敏感性的特点对PMIA基复合材料在高温应用中有着重要意义。为进一步提高复合薄膜的介电常数,在上述合成的高长径比的BTNWs表面用硅烷偶联剂KH550处理,得到K-BTNWs,然后接枝羧基化处理的MWCNTs,制得复合钛酸钡纳米线(f BCNWs)填料,经SEM测试发现,f BCNWs均匀地分散在PMIA基体中且没有发生脱落现象,由此说明KH550对BTNWs的表面改性和MWCNTs的羧基化处理有利于改善填料在PMIA基体中的分散性和相容性;对复合薄膜进行介电性能测试,研究表明,频率为100 Hz时,添加15 wt%f BCNWs的复合薄膜的介电常数高达31,是纯PMIA薄膜的12.4倍,是加了15 wt%P-BTNWs的复合薄膜的1.7倍,介电常数的大幅增加主要是由于MWCNTs的加入引入了更多的微电容器,但是也引起了空间电荷积聚,导致复合薄膜的击穿强度、绝缘性能降低;温度从-20℃升高到300℃时,1 KHz下加了10 wt%f BCNWs复合薄膜的介电常数增长率为75.7%,纯PMIA的介电常数在同样的条件下增长率为360%,说明f BCNWs的加入降低了复合薄膜的介电常数对温度的敏感性,由于MWCNTs的导热系数高,在-20℃-250℃范围内,复合材料的介电性能和电导率随温度变化较小,可满足在高温环境下的使用,本研究为制备耐高温高性能介电材料提供了新思路。
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