随着微电子工业的飞速发展,电子器件和集成电路正向着小型化、高密度化发展。元件密度和功能的不断提升对低介电技术提出了更多更高的要求。向材料中引入纳米孔洞可以降低介电常数(k),但k每降低0.1,至少需引入10%左右的孔隙率,因此达到超低介电往往需引入大量孔洞结构,牺牲材料的力学性能。近几十年来,纳米复合作为聚合物材料的改性手段,已经得到了广泛的应用。纳米复合的突出特点是可通过极小含量的纳米粒子显著改变聚合物的力学、热学、光学、电学等性质,其内在作用机制是通过纳米粒子大比表面积和强界面作用,诱导聚合物链在纳米粒子表面排列,产生受限作用,从而极大程度地改变聚合物性质。纳米复合的这一效应有望在调控低介电性质上发挥重要作用,同时相对于传统的化学或者多孔方法,纳米复合技术制备低介电材料还可进一步提高材料力学性能,也更为简单、高效,展现出显著的性能优势。基于上述思路,本课题采用几个典型的纳米复合体系,研究了纳米复合效应对材料低介电性能的影响并得到了超低介电常数(k=1.77)、低损耗(10-3)的纳米复合材料。以典型的纳米复合体系,线性低密度聚乙烯(PE)/二氧化硅纳米粒子(SNP)复合材料,为研究对象,研究纳米复合对介电性能的影响。采用直径为20 nm的SNP作为纳米填料粒子,通过热压成型复合得到一系列不同二氧化硅体积含量的纳米复合材料(PE/SNP)。介电测试发现,当二氧化硅体积含量为3.58%,复合材料的介电常数从2.43降低到k=1.93(10MHz),在这一测试频率(远高于1000Hz)下,介电常数主要由电子和分子极化决定,受定向极化、界面极化较小,因此主要与偶极子数量及排列方式有关。介电常数随着SNP含量增大,呈现先减小后增大的趋势。扫描电镜及密度测试结果表明PE/SNP纳米复合材料中仅存在极少量孔或缺陷,从而排除了多孔结构对材料介电性能的影响。DSC及XRD结果证明SNP对PE存在成核结晶作用,但SNP含量对成核作用影响较小,难以解释介电常数的变化规律。通过SEM对纳米复合体系相态进行了深入分析,发现PE在热压作用下呈现出各向异性的趋层状结晶结构。而SNP引入会引发PE围绕SNP成核生长,由此形成的PE/SNP聚集体会进一步团聚形成球形相结构,从而降低了材料的各向异性,研究还表明这一球形结构的规整性和含量与介电性能间呈现出直接关联,揭示了相结构及内在聚合物链排列对介电性能的影响和调控机制。通过调控纳米复合结构(纳米粒子的改性、成型压力及温度、填料尺寸、种类及维度),进一步研究纳米复合对材料介电性能的影响。首先,通过纳米粒子表面接枝及改变填料尺寸和种类直接调控界面效应,发现表面接枝聚苯乙烯的二氧化硅(G-SNP)与PE复合(PE/G-SNP)在二氧化硅体积含量为3.58%时介电常数为2.02,略高于PE/SNP。填料尺寸越大,纳米复合体系介电常数相对较高。球形纳米粒子相对于纳米棒粒子,降低介电常数效应更为明显。以上结果揭示了纳米粒子界面效应对介电性能有着重要影响,界面面积越大,作用越强,介电常数越低。另一个重要发现是,PE/SNP介电性能和相态结构与热压压力直接相关,在一定成型压力下,SNP才可产生显著的界面诱导作用,产生规整的球形相态结构,与之对应产生低介电效应。这一结果进一步证实了纳米复合效应对介电性能的作用机制。通过成型工艺筛选,获得较为理想的成型条件,当成型温度为155oC,成型压力2MPa时,复合材料介电常数最低,达到1.77,实现了良好的超低介电性能。