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青科大张建明、陈玉伟:借助外场辅助制备高介电低损耗高分子复合材料

发布时间:2021-10-04 作者: 点击:[]次

近日,张建明、陈玉伟等科研工作者合作在复合材料领域TOP期刊Composites Science and Technology上发文提出了一种基于电场诱导偶极-偶极相互作用同时组装导电和绝缘粒子在高分子基体中形成微纳链状结构的策略,该法可以制备高介电常数、低介电损耗的高分子复合材料。在电场取向过程中,绝缘的BaTiO3粒子可以作为屏障巧妙地嵌入石墨粒子导电通路(图1),这种形态的形成对于平衡导电填料/聚合物复合材料的高介电常数和相对低的介电损耗起着重要作用。该策略通过介电泳力(图1a1)将绝缘粒子直接组装到导电粒子形成的通路中,制备过程简便易操作,并且还可以防止填料粒子的团聚,所制备复合材料可用于人体运动监测。

1. 取向与未取向三相复合材料的制备过程示意图,(a) 交流电场下三相复合材料的自组装过程示意图,(a1) 取向排列的形成机理示意图,(b) 三相取向的机理示意图,(d) 未取向三相复合材料的示意图,(c)(e) 取向与未取向三相复合材料的扫描电镜图。

  取向后三相复合膜的介电常数较未取向的复合膜由3.5提升至73.5(2),而其介电损耗仅由0.1提升至0.19该取向三相复合膜相比于纯石墨的两相复合膜而言,其介电常数虽然有所下降,但是两相复合材料的介电损耗却高达396(2f),无法作为介电材料使用。综上所述,取向后的石墨含量为2.5 wt%,钛酸钡含量为5.0 wt%三相复合膜能够具有较高的介电常数,而维持介电损耗在较低的水平,该三相复合膜的介电性能达到了较优的状态。原因在于,绝缘钛酸钡粒子的存在能够阻断石墨导电通路的形成,降低漏电流所导致的介电损耗的提升。

2. (a)(b)取向和未取向的三相复合材料介电常数随频率的变化曲线,(c)和(d) 取向和未取向的三相复合材料介电损耗随频率的变化曲线,石墨含量为 2.5 wt%,钛酸钡含量为 5.0 wt%的不同样品在102 Hz下的(e)介电常数和(f)介电损耗。

本项研究Inserting Insulating Barriers into Conductive Particle Channels: A New Paradigm for Fabricating Polymer Composites with High Dielectric Permittivity and Low Dielectric Loss为题发表在Composites science and TechnologyDOI: 10.1016/j.compscitech.2021.109070)上,第一作者为青岛科技大学高分子科学与工程学院吴韦菲同学,指导教师为张建明教授课题组青年学者陈玉伟。此研究工作得到国家自然科学基金(51803103橡塑教育部/山东省重点实验室橡塑重点实验室开放基金(KF2020002江汉大学光电化学材料与器件教育部重点实验室开放基金项目(JDGD-202001) 的支持。


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