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碳纳米管/氰酸酯树脂基复合材料的研究

作　者: 韩财飞
导　师: 顾嫒娟
学　校: 苏州大学
专　业: 材料学
关键词: 多壁碳纳米管氰酸酯树脂渗流机理介电性能
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

高介电常数(高K值)聚合物基电介质复合材料在电子和电机等行业中有着极为重要的运用,因此提高电介质材料的介电常数非常有意义。碳纳米管(CNTs)具有较大的长径比和较高的电导率,使其成为比较合适的高介电复合材料的填料。尽管在过去的一段时间,人们对CNTs填充复合材料的介电行为和渗流现象进行了一定的研究,然而对于CNTs在交变电场下的极化规律,CNTs与基体树脂不同的界面、更高的频率(GHz)以及变化温度的条件下复合材料介电性能和渗流现象的机理研究仍然不清楚。本文主要研究了多壁碳纳米管(MWCNTs)/氰酸酯(CE)高介电纳米复合材料的制备方法及其性能。为了提高MWCNTs与CE的相容性,改善MWCNTs与CE的界面性能,采用Fenton试剂对MWCNTs进行表面改性,利用红外光谱、拉曼光谱等对改性后的碳纳米管(MWCNTs-OH)进行表征,结果表明MWCNTs表面接枝了大量的羟基,然后采用原位聚合法分别制备出MWCNTs/CE和MWCNTs-OH/CE高介电纳米复合材料。对MWCNTs/CE和MWCNTs-OH/CE复合材料的热性能进行研究,结果表明1wt%MWCNTs加入CE树脂中,降低了树脂的Tg和耐热性能,而加入1wt%MWCNTs -OH后,材料的Tg保持不变,并显著地提高了材料的热稳定性。对MWCNTs/CE和MWCNTs-OH/CE复合材料的介电性能进行研究,结果表明两种MWCNTs复合材料的渗流阈值大致相等,大约都为0.62wt%。复合材料达到渗流阈值时,复合材料的介电常数迅速增大。1KHz下MWCNTs/CE复合材料最大介电常数为114,而MWCNTs-OH/CE复合材料最大介电常数为165,填料与基体不同的界面性能对复合材料的介电常数影响显著。复合材料发生渗流效应时,不但介电常数迅速增大,介电损耗也呈非线性的迅速增大。10-3.25×109Hz、MWCNTs含量低于渗流阈值时,复合材料的介电常数和介电损耗随频率的变化很小,然而当MWCNTs含量超过渗流阈值时,介电常数和介电损耗随频率的增大迅速降低。1KHz、-50-200℃范围内,MWCNTs含量低于渗流阈值时,复合材料的介电常数与介电损耗几乎不随温度的变化而变化,当MWCNTs含量超过渗流阈值时,复合材料的介电常数随着温度的升高而下降,介电损耗随着温度升高而升高。

全文目录

中文摘要  4-6
Abstract  6-12
第1章文献综述  12-34
  1.1 高K 值聚合物基复合材料的研究进展  12-17
    1.1.1 陶瓷粉末填充聚合物基高K 值复合材料  12-14
    1.1.2 全有机高介电复合材料  14-15
    1.1.3 导电填料填充聚合物基高介电复合材料  15-17
  1.2 CNTS 概述  17-23
    1.2.1 CNTs 的结构  18-19
    1.2.2 CNTs 的基本性质  19-20
      1.2.2.1 力学性能  19
      1.2.2.2 电学性能  19
      1.2.2.3 热性能  19-20
      1.2.2.4 光学性能  20
    1.2.3 CNTs 的表面处理方法  20-21
      1.2.3.1 聚合物包裹  20
      1.2.3.2 高能改性  20
      1.2.3.3 超声波处理  20-21
      1.2.3.4 化学改性  21
    1.2.4 CNTs/聚合物复合材料的制备方法  21-23
      1.2.4.1 溶液共混  21-22
      1.2.4.2 熔融共混  22
      1.2.4.3 原位聚合法  22-23
      1.2.4.4 溶胶-凝胶法  23
  1.3 CE 概述  23-25
  1.4 二元复合材料的经典介电理论  25-31
    1.4.1 Maxwell 介质方程  25
    1.4.2 Maxwell-Garnett 理论  25-26
    1.4.3 Bruggeman 理论  26-27
    1.4.4 M-G-B 理论  27
    1.4.5 Jonscher 理论  27
    1.4.6 C-M-D-J 理论  27-28
    1.4.7 D-J 修正方程  28-29
    1.4.8 渗流阈值(Percolation Threshold)理论  29-31
  1.5 高介电聚合物基复合材料的运用  31-33
    1.5.1 在无源电容器中的应用  31
    1.5.2 在高储能电容器中的应用  31-32
    1.5.3 在电缆行业中的应用  32
    1.5.4 在微波吸收材料中的应用  32-33
  1.6 本课题的提出及研究内容  33-34
第2章 MWCNTS 的改性  34-45
  2.1 前言  34
  2.2 实验部分  34-36
    2.2.1 主要原料和实验仪器  34-35
    2.2.2 Fenton 试剂处理MWCNTs  35-36
    2.2.3 性能测试与结构表征  36
      2.2.3.1 红外光谱分析(FTIR)  36
      2.2.3.2 拉曼谱图分析(RM)  36
      2.2.3.3 X-射线光电子能谱分析(XPS)  36
      2.2.3.4 X-射线衍射谱图(XRD)  36
      2.2.3.5 透射电子显微镜分析(TEM)  36
  2.3 结果与讨论  36-44
    2.3.1 MWCNTs 的红外光谱(FTIR)  36-37
    2.3.2 MWCNTs 的拉曼光谱(RM)  37-38
    2.3.3 MWCNTs 的X-射线光电子能谱(XPS)  38-40
    2.3.4 MWCNTs 的X-射线衍射谱图(XRD)  40-41
    2.3.5 MWCNTs 的形貌(TEM)  41-42
    2.3.6 Fenton 试剂处理条件的影响因素  42-43
    2.3.7 HO·与MWCNTs 作用的可能机理  43-44
  2.4 本章小结  44-45
第3章 MWCNTS/CE 复合材料的研究  45-71
  3.1 前言  45
  3.2 实验部分  45-47
    3.2.1 主要实验原料与实验仪器  45
    3.2.2 CE 固化树脂的制备  45
    3.2.3 MWCNTs/CE 与MWCNTs-OH/CE 复合材料的制备  45-46
    3.2.4 性能测试与结构表征  46-47
      3.2.4.1 凝胶时间测定  46-47
      3.2.4.2 差示扫描量热分析(DSC)  47
      3.2.4.3 扫面电镜分析(SEM)  47
      3.2.4.4 动态力学分析(DMA)  47
      3.2.4.5 热稳定性分析  47
      3.2.4.6 介电性能分析  47
  3.3 结果与讨论  47-69
    3.3.1 MWCNTs 与MWCNTs-OH 对CE 固化行为的影响  47-49
    3.3.2 复合材料的形貌  49-50
    3.3.3 复合材料的热性能  50-54
    3.3.4 复合材料的电导率与填料质量分数的关系  54-57
    3.3.5 复合材料的电导率与频率的关系  57-58
    3.3.6 复合材料的介电常数与填料质量分数的关系  58-61
    3.3.7 复合材料的介电常数与频率的关系  61-63
    3.3.8 复合材料的介电常数与温度的关系  63-64
    3.3.9 复合材料的介电损耗与填料质量分数的关系  64-66
    3.3.10 复合材料的介电损耗与频率的关系  66-68
    3.3.11 复合材料的介电损耗与温度的关系  68-69
  3.4 本章小结  69-71
第4章结论  71-73
参考文献  73-84
攻读硕士学位期间发表的论文  84-85
致谢  85-86

碳纳米管/氰酸酯树脂基复合材料的研究

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