纳米填料对聚合物介电常数的影响

纳米填料对聚合物介电常数的影响：

具有良好介电性能的陶瓷、聚合物或陶瓷聚合物复合材料可以用来制造电容器等电子元件。一方面‚电子技术迅速发展和广泛应用‚对电容器等电子元件提出大容量、小体积、长寿命、高可靠性等新要求‚需要增大介电材料的介电常数;另一方面‚由于多芯片等*半导体技术的出现‚只有减小基板的介电常数‚才能减少信号传输延迟时间和提高布线密度‚因此开发低介电常数材料也是研究的主要方向之一。纳米填料对聚合物介电常数的影响‚在很大程度上取决于纳米填料自身的介电常数与填充量‚高介电常数的填料在聚合物中所占的比例增大时‚复合材料的介电常数也随之增大。在降低聚合物的介电常数方面‚主要采用向聚合物中引入气体的方法‚如直接引入空气‚或气孔率较大的填料。

常用于提高聚合物相对介电常数的纳米填料主要有Al2O3、TiO2、BaTiO3等‚其中钛酸钡（BaTiO3）作为一种最重要的高介电常数铁电氧化物‚其填充的聚合物的介电常数可在较大的范围内进行调控‚在电子和光学工业中有广泛地应用前景‚人们对纳米BaTiO3／聚合物复合材料的介电性能进行了详细的研究。印度的Muralidhar和Pillai[17‚18]研究发现BaTiO3重量分数为70％的BaTiO3／PVDF复合材料‚其介电常数最大‚为133．3（10Hz‚30℃）‚只有这种组分比的材料‚介电常数高于所推算的介电常数128．0。朱宝库等人[19]制备出聚酰亚胺／BaTiO3复合膜并对其进行了介电性能测试‚实验表明‚随着BaTiO3含量的增加‚复合材料的介电常数也随之增加‚复合膜的介电常数具有良好的温度和电场频率的不敏感性‚BaTiO3含量为50％（体积分数）复合膜的介电常数达到35‚是纯聚酰亚胺的10倍。因为纳米BaTiO3／聚合物复合材料在交互电场中‚除了BaTiO3本身产生强烈的极化外‚复合物的界面同时也发生界面极化现象。

在降低介电常数研究方面‚ZhangY采用向聚酰亚胺中加入纳米硅管的方法降低其介电常数‚当纳米硅管含量小于3％质量分数时‚复合物的介电常数随着纳米硅管含量的增加而减小‚这是因纳米硅管中含有较多的空气‚而空气的介电常数接近于1‚所以复合物的介电常数降低。在纳米填料含量较低并与聚合物生成纳米结构时‚介电常数反而在很多情况下会减小‚表明介电常数的降低是因纳米结构的存在造成的。TTanaka采用多核模型对纳米复合体系介电常数降低现象进行了解释‚如图1所示。以TiO2／环氧树脂纳米复合体系为例‚纳米TiO2周围的环氧高分子可分为三层结构‚第一层为键合层‚环氧分子与TiO2表面的羟基产生键合作用‚该层环氧分子自由运动能力最差;第二层和第三层分别为半固定层和自由运动层。由于纳米粒子与聚合物之间庞大的界面效应‚使高分子链段与纳米粒子表面的羟基发生键合限制了聚合物在电场下的转向运动‚从而造成介电常数的降低。