高分子/碳復合負介電材料的制備及應用綜述

所屬分類：電子論文閱讀次時間：2021-11-12 16:41

本文摘要：摘要：復合材料往往由導體-絕緣體組成，當導電相含量超過臨界體積分數，即逾滲閾值時，復合材料有可能出現負介電常數。由于金屬陶瓷有其難以避免的局限性，同樣能夠展現出負介電性能的高分子/碳復合材料便應運而生。該類復合材料在傳感器、隱身衣、可穿戴電子設備等方

　　摘要：復合材料往往由導體-絕緣體組成，當導電相含量超過臨界體積分數，即逾滲閾值時，復合材料有可能出現負介電常數。由于金屬陶瓷有其難以避免的局限性，同樣能夠展現出負介電性能的高分子/碳復合材料便應運而生。該類復合材料在傳感器、隱身衣、可穿戴電子設備等方面的應用前景非常廣闊。主要介紹了高分子/碳復合負介電材料的分類、性能以及應用研究。

　　關鍵詞：復合材料;負介電常數;碳材料

高分子材料論文

　　介電常數用于描述材料和電場之間的相互作用情況，其應用方向受到介電特性的調控。在過去的幾十年里，人們在正介電常數的研究領域投入了大量的精力和時間，并且在電容器、微波吸收等多個領域取得了顯著的成果。近年來，隨著超導材料的問世，具有負介電常數的高分子/碳復合材料受到了關注并成為當下研究的熱點。材料表現出負介電性能是由于導電相含量高于臨界體積分數，超過了逾滲閾值。其核心原理是一旦發生電子集體受到激發的情況，就有可能導致介電共振或者等離子體振蕩，從而產生負介電常數，使材料獲得負介電性能。這種性能在高功率的微波濾波器、新型電容器、電磁屏蔽等材料的開發制造中都有著巨大的潛力。

　　1高分子/碳復合負介電材料概述

　　1.1簡介

　　對于導體-絕緣體復合材料，存在逾滲現象。常見的導電相除金屬材料以外，還有碳材料、氮化鈦和陶瓷材料;絕緣相除了氧化鋁、氮化硅、二氧化硅等無機非金屬材料外，還逐漸增加了樹脂類高分子材料。碳材料獨特的結構和納米級的尺寸賦予其許多優異的性能，不但具有優異的力學、熱學、光學和磁學性能，還包括靈活可變的電學性質，已成為材料領域研究熱點，并在新型電子器件、燃料電池、電磁屏蔽和吸收等領域具有良好的發展前景[1]。

　　1.2研究進展

　　JIAO[2]設計出具有雙連續結構的碳納米管泡沫，這可以實現在比現有技術更大的頻率范圍(大約1~1000MHz)中獲得超材料并簡化了它們的制備。TALLMAN[3]探索了熱負荷對碳納米纖維(CNF)/有機硅納米復合材料的負介電常數的影響，發現即使適度的溫度升高也顯著影響負介電常數的大小、介電常數—頻率曲線的形狀以及介電常數轉變為負態的頻率。在GU[4]的科研工作中，在碳納米球(CNS)負載的納米銀-聚多巴胺(PDA)超復合材料中觀察到了獨特的高負介電常數。該復合材料更好的導電性、納米粒子的均勻分布、感應的電偶極極化以及CNS、PDA和銀的介電和電學性質的各向異性導致了觀察到的高負介電常數。

　　QU[5]將鎳改性碳纖維和多壁碳納米管用作制造超復合材料的一維構件并對阻抗響應的等效電路進行分析，提出了通過一維碳構建基元指定超復合材料的新穎途徑，而且進一步闡明了負介電常數的產生機制。GHOLIPU等[6]通過溶劑熱法制備了碳納米結構基超材料，并發現外部電場可以使分散良好的碳納米粒子以長距離方向排列，從而為替代高損耗有序或無序超材料提供了一種新穎的策略。XIE等[7]研究表明，碳氣凝膠可以實現負介電常數性質，并且可以連續調節其值，這是一種不同于典型的包含陣列結構的超材料的新穎策略。

　　2高分子/碳復合負介電材料分類

　　碳材料具有良好的導電性和負介電常數，并且在自然條件下更加穩定。高分子/碳復合負介電材料的導電相是結構各異的碳族材料，適配的絕緣相高分子材料種類豐富，因此復合材料的制備方法也是各不相同的，如：簡便浸漬法制備碳纖維/聚乙烯醇(CFs/PVA)復合材料，水熱法和浸漬/固化法制備石墨烯氣凝膠/聚二甲基硅氧烷(GA/PDMS)復合材料以及原位聚合工藝制備聚吡咯(PPy)/磺化聚醚醚酮(SPEEK)/多壁碳納米管(MWCNT)復合材料。

　　2.1CFs/PVA復合材料

　　展示了CFs骨架的合成過程以及通過簡便的浸漬方法制備CFs/PVA復合材料的過程。通過浸漬工藝將PVA引入石墨化CFs骨架中以制備CFs/PVA復合材料。當PVA的質量分數達到35.4%時，CFS骨架被絕緣的PVA膜完全覆蓋[8]。隨著微觀結構的巨大變化，所得復合材料的負介電常數下降了幾個數量級，并顯示出較低的等離子體頻率，這歸因于電子密度的稀釋。進一步的研究表明，負介電常數與感應特性有關，這是由CFs/PVA復合材料之間的導電閉合路徑引起的。CFs/PVA復合材料中的可調負介電常數在電磁屏蔽材料中具有巨大的潛在應用。

　　2.2GA/PDMS復合材料

　　NI等[9]使用水熱法和浸漬/固化法獲得具有整體三維(3D)結構的多界面GA/PDMS復合材料。在微波頻率范圍(1MHz~1GHz)中，GA/PDMS復合材料表現出負介電常數，對應于低頻處的等離子體狀態。這是由于GA/PDMS復合材料中有效的多個界面所致，以實現非凡的電磁屏蔽功能。展示了GA的制造過程以及3DGA/PDMS復合材料的制造過程。通過這種方法制備的復合材料可以承受很大的彈性變形(壓縮到原始厚度的70%~90%)。

　　2.3PPy/SPEEK/MWCNT復合材料

　　MALIK[10]使用SPEEK和功能化的多壁碳納米管(f-MWCNT)作為安撫PPy的組分。試驗觀察到質量分數為98%的PPy/SPEEK(80∶20)與質量分數為2%的f-MWCNT組合制備的復合SPM22是一種更好的儲能器件電極材料，在2mV/s的掃描速率下可產生593F/g的比電容[10]。為通過原位聚合工藝制備PPy/SPEEK/MWCNT復合材料的完整流程。在此過程中，將制備好的f-MWCNT在水-甲醇溶液中超聲處理2h，然后將吡咯加入溶液，再次超聲0.5h。

　　3高分子/碳復合負介電材料的應用

　　具有負介電常數的高分子/碳復合材料可以作為健康檢測器[11]、超高電容器[12]、光電器件[13]、多頻天線[14]等，用途十分廣泛。本文詳細地介紹了該材料的負介電性能在電光(E-O)開關調制、生物光波導傳感器、電磁屏蔽材料、5G中頻帶蜂窩通信、雙電層電容器五個方面的應用情況以及原理。

　　4總結與前景展望

　　高分子/碳復合負介電材料應用領域廣闊，性能用途多樣，制備出更均勻、穩定的材料是當下亟待解決的問題。現在的研究工作一方面集中于碳材料的表面改性處理以及深入研究，降低其在高分子基體中的團聚程度以進一步提高負介電常數材料的可調控性;另一方面，科學家們已經在嘗試加入磁性材料(如鐵氧體、坡莫合金和釔鐵石榴石等)。除此之外，利用超構介質與常規材料相互融合，即可以將常規材料引入超構介質體系，或將超構介質的思想和理念引入常規材料的設計，克服超構介質的結構限制，拓展超構介質的研究范疇。隨著具有負介電常數的逾滲復合材料各個方面的優化，相信該材料在今后的發展中一定有更加光明的前景。

　　參考文獻

　　[1]DIANAESTEVEZ,QINF,LUOY,etal.Tunablenegativepermittivityinnano-carboncoatedmagneticmicrowirepolymermetacomposites[J].CompositesScienceandTechnology,2019,171:206-217.

　　[2]JIAOZ,D'HOOGEDR,CARDONL,etal.Elegantdesignofcarbonnanotubefoamswithdoublecontinuousstructureformetamaterialsinabroadfrequencyrange[J].JournalofMaterialsChemistryC,2020,8(9):3226-3234.

　　[3]TALLMANTN.Theeffectofthermalloadingonnegativepermittivityincarbonnanofiber/siliconemetacomposites[J].MaterialsTodayCommu⁃nications,2020,22:100843.

　　作者：王雨思1，王瑛1，王明2，蔡計杰2，孫昊2，吳新鋒1*