高介電聚酰亞胺復合材料的制備及應(yīng)用

張良堃，張鵬圖

（中國石油大學勝利學院化學工程學院，山東東營 257061）

1 高介電聚酰亞胺復合材料的制備進展

1.1 線性電介質(zhì)/高介電聚酰亞胺復合材料

在聚酰亞胺基體中加入一些線性電介質(zhì)，使得線性電介質(zhì)/聚酰亞胺復合材料的介電常數(shù)增加。劉建濤等[1]采用溶膠-凝膠法結(jié)合原位法制備二氧化鈦/聚酰亞胺薄膜，研究發(fā)現(xiàn)TiO2含量對材料結(jié)構(gòu)、形貌、物相和性能等影響。研究結(jié)果表明，納米TiO2可以均勻地分散在聚酰亞胺基體中，且PI能保持原有的結(jié)晶形態(tài)和化學結(jié)構(gòu)，隨著TiO2含量增加，TiO2/PI薄膜熱穩(wěn)定性逐漸得到增強，不同頻率下的介電常數(shù)也不斷增大，具有低頻下高介電常數(shù)規(guī)律。李勝利等[2]通過熱重分析氧化鋁/聚酰亞胺薄膜穩(wěn)定性較低,但隨著氧化石墨烯的增加,復合材料薄膜的熱穩(wěn)定性明顯提高。聚酰亞胺薄膜的抗拉強度隨著氧化石墨烯的含量增加而增加,在0.6%時達到最大值,隨后抗拉強度隨著氧化石墨烯含量的繼續(xù)增加而降低。當氧化石墨烯的含量介于0.8%～1.0%時,介電常數(shù)和介電損耗均高于Al2O3/PI薄膜。因此加入氧化石墨烯在提高介電常數(shù)的同時介電損耗也隨之增加。崔曉萍等[3]利用類似的方法,測得氧化鋁/聚酰亞胺復合薄膜隨著Al2O3質(zhì)量分數(shù)的增加拉伸強度先增加后降低。當質(zhì)量分數(shù)達到8%,拉伸強度取得最大值,與純PI薄膜相比提高了18%。將介電常數(shù)為8～10的Al2O3與純PI(約3.8)復合,其介電常數(shù)隨Al2O3的增加而不斷提高。在Al2O3質(zhì)量分數(shù)一定時,介電常數(shù)隨頻率的增加而略有減少且介電損耗有所增加。

1.2 導電填料/高介電聚酰亞胺復合材料

在具有高擊穿場強的聚合物中引入一些導電填料(納米顆粒、碳納米纖維、氧化石墨烯等),因為導電填料本身的電導要比聚合物大的多,所以在聚合物基體中引入一些導電顆粒就會在兩相之間的界面處發(fā)生空間極化。大量的電荷在外加電場下,聚集在兩相的界面處產(chǎn)生界面極化,使得導電填料/高介電聚酰亞胺復合材料的介電常數(shù)顯著增加。但是引入導電填料會導致介電損耗出現(xiàn)一定程度的上升。

王小燕等[4]采用高介電的碳納米纖維這一良好的導電材料制備SCNFs/PI復合材料。當SCNFs質(zhì)量分數(shù)高于2%時,隨著含量的增加,介電常數(shù)顯著提高,當SCNFs的含量為4%時,SCNFs/PI復合材料的介電常數(shù)達到最大值且介電損耗相對較小。含1%SCNFs的SCNFs/PI復合材料的機械強度與純PI相比提高30%。SCNFs的加入可以在介電損耗相對低的條件下提高介電常數(shù)并且有效提高薄膜的機械強度。李輝[5]通過原位聚合法制備了聚酰亞胺/氧化石墨烯復合材料。純PI薄膜的介電常數(shù)隨頻率變化不明顯,但在相同頻率下,PI/GO復合材料的介電常數(shù)隨GO引入的顯著提高,當GO質(zhì)量分數(shù)為2%時,復合材料的介電常數(shù)(0.1MHz)較PI提高了83.1%,但在GO用量較高時,會導致PI/GO復合材料的熱穩(wěn)定性降低。采用此方法介電常數(shù)顯著提高,熱穩(wěn)定性能有所降低。劉會等[6]在聚酰亞胺/氧化石墨烯復合材料中加入季銨鹽后介電常數(shù)有明顯提高。當GO含量達到1.5%時,加入季銨鹽TBAB、TBAI制備的GO/PI復合薄膜分別記為BGO-1.5/PI.和IGO-1.5/PI.其在低頻區(qū)的介電常數(shù)有急劇增加的變化。介電損耗與介電常數(shù)有相似的變化態(tài)勢,繼續(xù)加入季銨鹽的含量后,介電損耗明顯增加,熱穩(wěn)定性稍有下降。

此外，碳納米顆粒、碳納米銀顆粒等也可摻雜在聚酰亞胺基體中，得到高介電聚酰亞胺復合材料效果顯著。

1.3 介電陶瓷/高介電聚酰亞胺復合材料

通過把高介電常數(shù)的介電陶瓷材料引入聚酰亞胺體系，也可以一定程度上提高聚酰亞胺的介電常數(shù)，但是引入介電陶瓷會影響聚酰亞胺分子鏈的生成，導致其機械性能和熱穩(wěn)定性出現(xiàn)一定程度的下降。

李欣童等[7]制備聚酰亞胺/鈦酸鋇納米晶復合材料薄膜。PI/BaTiO3復合材料薄膜的介電常數(shù)比純PI薄膜的介電常數(shù)顯著提升。當BaTiO3的含量控制在50%,燒結(jié)溫度調(diào)控在300℃時,復合材料的介電常數(shù)為44,并且BaTiO3納米晶含量的增加,介電常數(shù)也隨之增加,約為普通純PI薄膜的14倍。因此高性能薄膜晶體在高介電聚酰亞胺復合材料的應(yīng)用方面具有很大的潛力。謝曙輝[8]采用超高介電粒子LTNO粒子制備PI/LTNO復合材料薄膜,介電常數(shù)得到顯著提高,但PI/LTNO復合材料的熱穩(wěn)定性因此降低,用Li物質(zhì)的量含量為0.3的Li-03粒子作為導電填料制備復合材料時,介電常數(shù)可達570,介電損耗因數(shù)則為1.2(體積分數(shù)為0.4)。在粒子的體積分數(shù)較大時,介電常數(shù)和介電損耗隨溫度和頻率的變化程度也較大?？讐魳穂9]由飽和重結(jié)晶法合成得到的高質(zhì)量鈣鈦礦粉末通過溶液共混在聚酰亞胺中,獲得不同比例的CsPbBr3/PI薄膜,經(jīng)性能測試發(fā)現(xiàn)其介電常數(shù)隨著CsPbBr3粉末含量的升高而增加,10%含量的CsPbBr3/PI介電常數(shù)為5.58(1kHz),約為PI薄膜的2倍。將聚酰亞胺、CsPbBr3和氧化石墨烯三者溶液共混、涂膜成型、高溫亞胺化后得到一系列的CsPbBr3/rGO/PI復合薄膜。此復合薄膜的介電常數(shù)最高175.47(1kHz),最大儲能密度可達3.61J/cm3。

2 總結(jié)

通過向聚酰亞胺基體添加線性電介質(zhì)、導電填料、介電陶瓷等無機納米材料,可以制備高介電聚酰亞胺復合材料,但由于不同類型材料本身的特性,在加入聚酰亞胺基體所產(chǎn)生的介電損耗,機械性能,熱穩(wěn)定性能及拉伸強度等對復合材料有不同程度影響。向基體內(nèi)添加介電常數(shù)本身較高的線性電介質(zhì)材料可以大幅度提升復合材料的介電常數(shù)并具有較低頻率較高介電常數(shù)規(guī)律,但介電常數(shù)和介電損耗的大小會受粒子體積、溫度和頻率的影響。向基體添加導電填料使聚酰亞胺復合材料的機械性能及熱穩(wěn)定性得到明顯改善,但介電損耗有所增加;介電陶瓷的加入一定程度提升介電常數(shù),但復合材料的熱穩(wěn)定性和機械性下降。除以上材料以外,能使聚酰亞胺復合材料的介電常數(shù)提升、介電損耗降低,又保持復合材料機械強度和熱穩(wěn)定性需要繼續(xù)研究。