高介电常数_低介电损耗的聚合物基复合材料

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第 22 卷
dielectric loss 6 Conclusion
填充分数与临界填充分数（ 逾渗阈值） 之差 。 这样， 要得到高的介电常数就必须使得导体的填充分数接 近临界值而又不 能 高 于 临 界 值
［ 11 ］
1
引言
高介电材料具有良好的储存电能和均匀电场的
。如果填充分数
［ 13 ］
功能填料是决定聚合物基复合材料介电性能的关键 低损耗聚合物基复合材料 组分 。 目前用作高 介 电 、 中的功能填料主要包括金属导体 、 铁电陶瓷 、 有机半 导体等 2. 1 2. 1. 1
［ 1 —7 ］
， 它们的 种 类 、 结 构、 粒径大小和形貌均
对材料的介电性能产生明显影响 。 填料的种类 无机导体填料
介 电 损 耗 为 0. 7 。 加 入 纳 米 料的 介 电 常 数 为 1 600 ， Ag 颗粒后介电 常 数 提 高 是 因 为 界 面 极 化 使 得 电 荷 在比表面较大的界 面 上 聚 集， 而介电损耗降低是由 于纳米粒子的库仑阻塞效应的影响 。 2. 1. 2 铁电陶瓷填料 钛酸钡（ BT ） 、 钛酸锶钡 （ BST ） 等 具 有 高 介 电 常 数的铁电陶瓷颗粒与聚合物进行复合可以获得介电 常数较高的 复 合 材 料 。 目 前 制 备 陶 瓷 / 聚 合 物 高 介 电复合材料经常选择的填料是具有高介电常数的弛 豫铁电 体 陶 瓷 BaTiO 3 及 铌 镁 酸 铅 -钛 酸 铅 （ PMNPT ） 等本身具有很高介电 常 数 及 较 低 介 电 损 耗 的 陶 瓷粉体 。 由于铁电体的极化主要由铁电体的自发极 铁电体的 损 耗 主 要 源 于 自 发 极 化 所 产 生 化引起的， 的电畴在外电场的 作 用 下 发 生 的 转 向， 因此其介电 损耗比非 铁 电 电 介 质 要 大
PolymerBased Composites with High Dielectric Constant and Low Dielectric Loss
Lu Pengjian Wang Yilong Sun Zhigang Guan Jianguo
（ State Key Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis and Processing ， Wuhan University of Technology ，Wuhan 430070 ，China ） Abstract Due to the wide important application of the polymer-based composites with both high dielectric
可以得到非 常 高 的 介 电 常 数， 如 图 1 所 示， 在 合适， Ag 填充分数在 23% 左 右 介 电 常 数 达 到 最 大 。 相 比 陶瓷 / 聚合物复合材料，导电粒子 / 聚合物复合材 料 具有更 高 的 介 电 常 数 、 更好的介电性能和黏接强 度
［ 12 ］
作用， 在电子 、 电机 、 电缆行业中都有非常重要的应 用 。 随着信息 、 电子 和 电 力 工 业 的 快 速 发 展 和 纳 米 以低成 本 生 产 具 有 高 介 电 常 数 和 低 介 技术的成熟， 电损耗的聚合物基纳米复合材料成为行业关注的热 点 。 重量轻 、 储能密 度 高 的 大 功 率 电 容 器 的 需 求 越 来越大， 而这 必 须 采 用 密 度 小 、 介 电 常 数 （ ε） 高、 损 耗低的电介质材料作为电荷储存的载体
式中，p 为 孤 立 的 分 散 相 的 体 积 分 数，p c 为 逾 渗 阈 值， 且 p < p c ，β 是 与 材 料 性 质 、 微观结构以及绝缘 体 -导体界面的连通 性 有 关 的 常 数 。 根 据 式 （ 1 ） ， 具 有逾渗行为复合材料的介电常数反比于导体的实际
用 Al 作 为 填
Contents
1 2 2. 1 2. 2 Introduction The effect of the functional fillers on the dielectric properties of the polymer-based composites The types of the functional fillers The size and morphology of fillers
constant and low dielectric loss in such fields as electrical and electronic engineering ，this paper reviews almost all the state-of-the-art research work focusing on them. In the attempt to establish the principles to design and prepare the polymer-based composites with high dielectric constant and low dielectric loss ，the effects of functional fillers ， polymer matrixes ，and their interaction on the dielectric properties of the polymer-based composites are discussed in details. As a consequence ，the future research trends are pointed out involving the development of the innovative approaches to prepare functional fillers with controlled structures ， morphologies and sizes ， advanced facile composite processes and techniques to adjust the interfaces ， and the theoretical models to correlate dielectric properties with the structure of the functional fillers ，etc. Key words dielectric constant ； dielectric loss ； composites ； polymers 3 4 The effect of the polymer matrixes on the dielectric properties of the polymer-based composites The effect of the interface between functional fillers and polymer matrixes on the dielectric properties of the polymer-based composites 5 The engineering applications of the polymer-based composites with high dielectric constant and low
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。
。
传统的高介电材料包括铁电陶瓷材料和聚合物 材料 。 陶瓷材料有 较 高 的 介 电 常 数， 但存在着脆性 大、 加工温度较高 、 损 耗 大 等 弊 端；聚 合 物 材 料 具 有 优良的加工性能 、 较低的加工温度和较低的介电损 耗， 但除少数材料外， 其介电常数通常较低
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cn高介电常数低介电损耗的聚合物基复合材料卢鹏荐王一龙孙志刚官建国武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室武汉430070摘要考虑到高介电常数低介电损耗聚合物基复合材料在电气电子行业的广泛应用本文对其研究进展进行了回顾重点讨论了功能填料聚合物基体及它们两者的相互作用等因素对聚合物基复合材料介电性能的影响规律
第 22 卷 第 8 期 2010 年 8 月
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展Hale Waihona Puke PROGRESS IN CHEMISTRY
Vol. 22 No. 8 Aug. ，2010
高介电常数 、 低介电损耗的聚合物基复合材料
卢鹏荐 王一龙 孙志刚 官建国

*
（ 武汉理工大学 材料复合新技术国家重点实验室 摘 要
武汉 430070 ）
收稿： 2009 年 10 月，收修改稿： 2009 年 12 月
* 国家高技术发展计划（ 863 ） 项目（ No. 2006AA03Z461 ） 和国防基础科研项目（ No. A1420080185 ） 资助 Corresponding author e-mail ： guanjg@ whut. edu. cn
［ 8］
导电粒子填充聚合物基体是一种有效的提高复 合材料介 电 常 数 的 方 法， 它主要依据逾渗理论 绝缘体 -导体转变 电常数可表示成
［ 9］
。
逾渗理论指出， 当导电粒子达到逾渗阈值处， 会发生 。 对于逾渗体系， 体系的有效介 ：
－β ［ 8， 10 ］
ε = ε1 （ p c － p）
（1）
。以
图1 室 温 下 Ag-epoxy 复 合 材 料 中 相 对 介 电 常 数 随 着
高介电陶瓷粒子或金属导体粒子填充的聚合物基复 合材料可以同时具有介电常数高 、 介电损耗低 、 易加 工等优良性能， 成为制备高介电常数 、 低损耗材料的 一种趋势 。 本文试 图 从 功 能 填 料 、 聚合物基体及界 面等三个方面评述聚合物基复合介电材料的设计原 以期 对 高 介 电 聚 合 物 基 复 合 材 料 的 理和改性方法， 研究现状和开发前景有一个更直观全面的认识 。
第8期
卢鹏荐等
高介电常数 、 低介电损耗的聚合物基复合材料
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Al 自钝化 形 成 的 绝 缘 氧 化 层 作 为 壳 层， 料， 填充到 具有高介电常数的聚合物基体中， 在 Al 填充体积为 80% 时， 介 电 常 数 为 109 ， 介 电 损 耗 为 0. 02 。 Shen 等
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Ag 填充体积的变化 ［12 ］ Fig. 1 Dielectric constant values of Ag / epoxy composites with different Ag filler loading at room temperature［12 ］
Ag 、 Ni 、 目前 Al 、 炭黑等导 电 颗 粒 已 经 用 来 制 备 此种复合材料具有较高 导电粒子 / 聚合物复合材料， 被认为 很 有 希 望 应 用 在 嵌 入 式 电 容 器 的介电常数， 中
考虑到高介电常数 、 低介电损耗聚合物基复合材料在电气 、 电 子 行 业 的 广 泛 应 用， 本文对其研
重点讨论了功能填料 、 聚合物基体及它们两者的相互作用等因素对聚合物基复合材料介 究进展进行了回顾 ， 电性能的影响规律 ； 试图为建立高介电常数 、 低介电损耗的聚合物基复合材料的 设 计 和 制 备 原 理 理 清 思 路 ； 指出该领域在未来的主要发展方向涉及制备结构 、 形貌 、 尺寸可控的新功能填料 ， 探索新型简单的复合工艺 和界面控制技术 ， 从理论上分析建立功能填料的结构和介电性能的关系模型等 。 关键词 介电常数 介电损耗 复合材料 聚合物 281X （ 2010 ） 08161907 文章编号 ： 1005中图分类号 ： TB33 ； TM215. 92 文献标识码 ： A
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2
功能填料对介电性能的影响
由于聚合物基 体 的 介 电 常 数 通 常 都 不 高， 因此
。 但是 Al 、 Ag 等金属粒子， 主要产生电子位
产生的损耗主要是电导损耗， 当导电粒子的 移极化， 体积过大， 达到或超过逾渗阈值时， 粒子间的间距过 小， 电子就会在各导电粒子间发生迁移， 形成导电通 路， 产生较大的 介 电 损 耗 。 目 前 研 究 的 关 键 问 题 主 要集中于 提 高 介 电 常 数 的 同 时 控 制 介 电 损 耗 的 增 使二者之间达到一种平衡， 最终制备出具有高介 加， 低损耗的合适的聚合物基复合材料 。 电常数 、 控制 填 料 体 积 分 数 在 逾 渗 阈 值 附 近， 可以很大 程度提升介电常数， 同时控制颗粒的分散性， 使粒子 又不构成导电通路， 从而能赋予材料较低的介电损 耗和 良 好 的 力 学 性 能 。 目 前 改 进 的 方 法 主 要 有： （ 1 ） 制备核壳结构的 混 合 填 料 。 为 了 阻 止 导 电 粒 子 阻碍电子在粒子间迁移， 得到高介电常数 间的接触， 和低介电损耗， 可在导电粒子外包覆绝缘壳层， 形成 屏障和连续的势垒网 。 此种复合材料的高介电常数 主要来源于界面极化， 即在不均匀介质中， 无序排布 的自由电荷在电场作用下会聚集在绝缘壳层形成的 界面处， 产生空间电荷极化 。 Xu 等