高介電聚酰亞胺復合材料的制備及應用

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/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，使得線性電介質/聚酰亞胺復合材料的介電常數增加。劉建濤等[1]采用溶膠-凝膠法結合原位法制備二氧化鈦/聚酰亞胺薄膜，研究發現TiO2含量對材料結構、形貌、物相和性能等影響。研究結果表明，納米TiO2可以均勻地分散在聚酰亞胺基體中，且PI能保持原有的結晶形態和化學結構，隨著TiO2含量增加，TiO2/PI薄膜熱穩定性逐漸得到增強，不同頻率下的介電常數也不斷增大，具有低頻下高介電常數規律。李勝利等[2]通過熱重分析氧化鋁/聚酰亞胺薄膜穩定性較低,但隨著氧化石墨烯的增加,復合材料薄膜的熱穩定性明顯提高。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質量分數的增加拉伸強度先增加后降低。當質量分數達到8%,拉伸強度取得最大值,與純PI薄膜相比提高了18%。將介電常數為8～10的Al2O3與純PI(約3.8)復合,其介電常數隨Al2O3的增加而不斷提高。在Al2O3質量分數一定時,介電常數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顯著增加。但是引入導電填料會導致介電損耗出現一定程度的上升。

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質量分數高于2%時,隨著含量的增加,介電常數顯著提高,當SCNFs的含量為4%時,SCNFs/PI復合材料的介電常數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隨GO引入的顯著提高,當GO質量分數為2%時,復合材料的介電常數(0.1MHz)較PI提高了83.1%,但在GO用量較高時,會導致PI/GO復合材料的熱穩定性降低。采用此方法介電常數顯著提高,熱穩定性能有所降低。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.其在低頻區的介電常數有急劇增加的變化。介電損耗與介電常數有相似的變化態勢,繼續加入季銨鹽的含量后,介電損耗明顯增加,熱穩定性稍有下降。

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，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定性出現一定程度的下降。

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比純PI薄膜的介電常數顯著提升。當BaTiO3的含量控制在50%,燒結溫度調控在300℃時,復合材料的介電常數為44,并且BaTiO3納米晶含量的增加,介電常數也隨之增加,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,介電常數得到顯著提高,但PI/LTNO復合材料的熱穩定性因此降低,用Li物質的量含量為0.3的Li-03粒子作為導電填料制備復合材料時,介電常數可達570,介電損耗因數則為1.2(體積分數為0.4)。在粒子的體積分數較大時,介電常數和介電損耗隨溫度和頻率的變化程度也較大。孔夢樂[9]由飽和重結晶法合成得到的高質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,經性能測試發現其介電常數隨著CsPbBr3粉末含量的升高而增加,10%含量的CsPbBr3/PI介電常數為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最高175.47(1kHz),最大儲能密度可達3.61J/cm3。

2 總結

通過向聚酰亞胺基體添加線性電介質、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生的介電損耗,機械性能,熱穩定性能及拉伸強度等對復合材料有不同程度影響。向基體內添加介電常數本身較高的線性電介質材料可以大幅度提升復合材料的介電常數并具有較低頻率較高介電常數規律,但介電常數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,但復合材料的熱穩定性和機械性下降。除以上材料以外,能使聚酰亞胺復合材料的介電常數提升、介電損耗降低,又保持復合材料機械強度和熱穩定性需要繼續研究。