低介電損耗聚合物基復合材料是什么

信息和納米技術的高速發展，使嵌入式電容器被廣泛應用于各種微電子系統中。而且電子元件的日趨微型化和質輕化，也對器件的集成度、安全性和壽命提出了更高的要求，具體可概括為以下兩點：高的儲能密度和低的散熱損耗。

由于電容器的儲能效果取決于材料的介電常數，而發熱性能則決定于材料的介電損耗，因此在微型電容器體積受限的情況下要發展功率大、安全系數高的電容器元件必須使用具有更高介電常數和更低介電損耗的電介質材料。傳統的高介電陶瓷材料生產成本高、質脆、不易加工和微型化設計。相比之下，聚合物材料本身除了良好的機械強度、質輕柔韌外，還具有損耗低、成膜性好和成本低廉等優點，因此成為了目前熱控制領域的理想材料，特別是在電氣電子領域。

然而，大多數聚合物都是熱絕緣體，其熱導率一般在0.1~0.5W/(m•k)之間，不能滿足如今的電力需求應用，因此為了提高電子設備的高溫可靠性，就需要通過一定的手段降低其介電損耗、提高其導熱系數，目前最常見的手段就是有機/無機或有機/有機復合。根據填充組分不同，可歸類為：陶瓷填充聚合物電介質、導電填料填充聚合物電介質、全有機聚合物電介質和三元或多元雜化體系。

1.陶瓷填充聚合物電介質

往聚合物基體中添加具有高介電常數的鐵電陶瓷粉末，如鈦酸鋇（BaTiO3，BT）、鈦酸鍶鋇（BST）、鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛（PMN-PT）、鋯鈦酸鉛（PZT）、CaCu3Ti4O12（CC- TO）等，是最早獲得高介電常數聚合物電介質材料的主要方法。

不過陶瓷填充聚合物復合電介質材料雖然能夠結合陶瓷高介電常數和聚合物低損耗等特性，但在較高陶瓷粉末填充量下（>50%），復合材料介電常數的增強效果仍有限，同時導致了該類電介質材料加工上的困難和力學強度的降低。此外，由于納米尺寸效應（即當陶瓷顆粒小于一定尺寸，如小于100 nm，其鐵電性能消失），使得目前發展小于5μm的高介電薄膜材料受到極大挑戰，嚴重制約了陶瓷/聚合物電介質材料的廣泛應用。

2.導電填料填充聚合物電介質

往聚合物中添加一些導電填料，如金屬粉末、炭黑、碳納米管和石墨等，在滲流閾值（fc）附近，復合材料的介電性能發生滲流突變。尤其是添加具有高長徑比的碳納米管和石墨烯材料時，很少的填料量就能獲得具有較高介電常數的電介質材料，同時保持了聚合物本身良好的韌性和機械強度。Costa 等僅用了0.04%（體積分數）的碳納米管（CNT），就獲得了介電常數高達3000、介電損耗為 2.8的 PVDF/CNT復合材料。

導電填料/聚合物滲流體系一度被認為是最有前途和應用前景的一類電介質材料，在過去幾年里得到了廣泛的關注和研究。然而滲流體系最大的缺陷是，在fc附近填料間容易形成導電通路，導致材料產生較大的介電損耗，嚴重影響電介質的使用壽命和安全性。

3.全有機聚合物電介質

除了上述有機/無機復合電介質材料外，全有機類電介質材料也是一個重要研究方向，主要基于其更好的生物相容性，可以廣泛應用于藥物釋放、人工肌肉以及生物化學特性研究。全有機復合電介質本質上也是復合一些具有高介電常數或導電性的聚合物（如聚苯胺）材料。Lu等采用原位聚合法制備 PANI/epoxy 25%（質量分數）全有機聚合物電介質材料，10 kHz下該材料的介電常數高達2980，介電損耗低于0.48。

4.三元或多元雜化體系

近年來，研究者綜合了傳統的陶瓷/聚合物和導電填料/聚合物二元體系的優點，探索了很多三元或多元雜化體系。Yao等制備了三相 MWCNT-BaTiO3-PVDF 復合材料，在MWCNT和 BaTiO3含量分別為1%和15%時，復合電介質材料的介電常數高達151，介電損耗為0.08（100 Hz），是二元 PVDF/BaTiO3體系的10倍，同時保持了二元體系較低的介電損耗和良好的加工性能。

另外，材料自身的物理化學結構及部分外界因素也會影響介電性能，主要可分為以下幾點：

1.填料種類和負載水平的影響

上面也提到，復合材料的介電性能會隨著填料固有介電常數的增加而升高，因此填料含量的增加一般也會引起聚合物基復合材料介電常數的增加。不過當填料含量增加到一定值時，復合材料內部會產生堆積、團聚等缺陷使體系介電常數下降，力學性能、加工性能變差。

2.填料尺寸和界面的影響

填料粒徑的減小會導致復合材料介電常數的增大，這是由界面極化效應引起的。因為填料粒徑越小，表面積越大，擴大了基體界面面積，增強了界面極化效應。但降低填料尺寸為納米尺寸時，因為中間相介電常數較低的原因，納米復合材料的介電常數可能會低于聚合物。

3.填料形態的影響

復合材料介電性能隨著填充填料形態的不同表現出很大的差異。有研究員曾做過對比實驗，發現復合材料介電常數由低到高依次為：粉末狀＜晶須狀＜纖維狀填料。歸因于纖維與晶須填充的復合材料體系中孔隙較多，導致界面極化的增加。

4.填料表面處理的影響

填料經偶聯劑表面處理后，對其界面結合狀態會有明顯改善，繼而影響復合材料的介電性能。當填料含量較低時，由于界面結合狀態的優化，降低了界面極化從而使體系介電常數降低；當填料填充量較高時，表面處理增加了體系內雜質極性分子，界面極性基團偶極矩增長從而體系的介電常數隨改性填料的增加而增加。

5.溫度的影響

溫度和頻率也相互影響著介電性能。頻率不變，隨著溫度增大，損耗因子先增大后減小。頻率不同，隨溫度的變化介電性能也會不同，一般情況下溫度越高，介電常數和損耗會越大，在高頻時，損耗因子會隨著溫度升高先增大后減小。

6.頻率的影響

隨著頻率變化，不同材料的介電性表現出不同的變化。介質極化產生介電常數，介質極化和電導產生介電損耗，其中主要影響因素是界面不均勻性引起的界面極化和偶極極化。因而頻率對介電常數和介電損耗的影響是不容忽視的。

資料來源： 高介電常數、低介電損耗聚合物復合電介質材料研究進展，李玉超，付雪連，戰艷虎，謝倩，葛祥才，陶緒泉，廖成竹，盧周廣。

低介電損耗、高導熱系數聚合物基復合材料的制備及介電性能研究學，周敏。