低介电损耗聚合物基复合材料是什么

信息和纳米技术的高速发展，使嵌入式电容器被广泛应用于各种微电子系统中。而且电子元件的日趋微型化和质轻化，也对器件的集成度、安全性和寿命提出了更高的要求，具体可概括为以下两点：高的储能密度和低的散热损耗。

由于电容器的储能效果取决于材料的介电常数，而发热性能则决定于材料的介电损耗，因此在微型电容器体积受限的情况下要发展功率大、安全系数高的电容器元件必须使用具有更高介电常数和更低介电损耗的电介质材料。传统的高介电陶瓷材料生产成本高、质脆、不易加工和微型化设计。相比之下，聚合物材料本身除了良好的机械强度、质轻柔韧外，还具有损耗低、成膜性好和成本低廉等优点，因此成为了目前热控制领域的理想材料，特别是在电气电子领域。

然而，大多数聚合物都是热绝缘体，其热导率一般在0.1~0.5W/(m•k)之间，不能满足如今的电力需求应用，因此为了提高电子设备的高温可靠性，就需要通过一定的手段降低其介电损耗、提高其导热系数，目前最常见的手段就是有机/无机或有机/有机复合。根据填充组分不同，可归类为：陶瓷填充聚合物电介质、导电填料填充聚合物电介质、全有机聚合物电介质和三元或多元杂化体系。

1.陶瓷填充聚合物电介质

往聚合物基体中添加具有高介电常数的铁电陶瓷粉末，如钛酸钡（BaTiO3，BT）、钛酸锶钡（BST）、铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）、锆钛酸铅（PZT）、CaCu3Ti4O12（CC- TO）等，是最早获得高介电常数聚合物电介质材料的主要方法。

不过陶瓷填充聚合物复合电介质材料虽然能够结合陶瓷高介电常数和聚合物低损耗等特性，但在较高陶瓷粉末填充量下（>50%），复合材料介电常数的增强效果仍有限，同时导致了该类电介质材料加工上的困难和力学强度的降低。此外，由于纳米尺寸效应（即当陶瓷颗粒小于一定尺寸，如小于100 nm，其铁电性能消失），使得目前发展小于5μm的高介电薄膜材料受到极大挑战，严重制约了陶瓷/聚合物电介质材料的广泛应用。

2.导电填料填充聚合物电介质

往聚合物中添加一些导电填料，如金属粉末、炭黑、碳纳米管和石墨等，在渗流阈值（fc）附近，复合材料的介电性能发生渗流突变。尤其是添加具有高长径比的碳纳米管和石墨烯材料时，很少的填料量就能获得具有较高介电常数的电介质材料，同时保持了聚合物本身良好的韧性和机械强度。Costa 等仅用了0.04%（体积分数）的碳纳米管（CNT），就获得了介电常数高达3000、介电损耗为 2.8的 PVDF/CNT复合材料。

导电填料/聚合物渗流体系一度被认为是最有前途和应用前景的一类电介质材料，在过去几年里得到了广泛的关注和研究。然而渗流体系最大的缺陷是，在fc附近填料间容易形成导电通路，导致材料产生较大的介电损耗，严重影响电介质的使用寿命和安全性。

3.全有机聚合物电介质

除了上述有机/无机复合电介质材料外，全有机类电介质材料也是一个重要研究方向，主要基于其更好的生物相容性，可以广泛应用于药物释放、人工肌肉以及生物化学特性研究。全有机复合电介质本质上也是复合一些具有高介电常数或导电性的聚合物（如聚苯胺）材料。Lu等采用原位聚合法制备 PANI/epoxy 25%（质量分数）全有机聚合物电介质材料，10 kHz下该材料的介电常数高达2980，介电损耗低于0.48。

4.三元或多元杂化体系

近年来，研究者综合了传统的陶瓷/聚合物和导电填料/聚合物二元体系的优点，探索了很多三元或多元杂化体系。Yao等制备了三相 MWCNT-BaTiO3-PVDF 复合材料，在MWCNT和 BaTiO3含量分别为1%和15%时，复合电介质材料的介电常数高达151，介电损耗为0.08（100 Hz），是二元 PVDF/BaTiO3体系的10倍，同时保持了二元体系较低的介电损耗和良好的加工性能。

另外，材料自身的物理化学结构及部分外界因素也会影响介电性能，主要可分为以下几点：

1.填料种类和负载水平的影响

上面也提到，复合材料的介电性能会随着填料固有介电常数的增加而升高，因此填料含量的增加一般也会引起聚合物基复合材料介电常数的增加。不过当填料含量增加到一定值时，复合材料内部会产生堆积、团聚等缺陷使体系介电常数下降，力学性能、加工性能变差。

2.填料尺寸和界面的影响

填料粒径的减小会导致复合材料介电常数的增大，这是由界面极化效应引起的。因为填料粒径越小，表面积越大，扩大了基体界面面积，增强了界面极化效应。但降低填料尺寸为纳米尺寸时，因为中间相介电常数较低的原因，纳米复合材料的介电常数可能会低于聚合物。

3.填料形态的影响

复合材料介电性能随着填充填料形态的不同表现出很大的差异。有研究员曾做过对比实验，发现复合材料介电常数由低到高依次为：粉末状＜晶须状＜纤维状填料。归因于纤维与晶须填充的复合材料体系中孔隙较多，导致界面极化的增加。

4.填料表面处理的影响

填料经偶联剂表面处理后，对其界面结合状态会有明显改善，继而影响复合材料的介电性能。当填料含量较低时，由于界面结合状态的优化，降低了界面极化从而使体系介电常数降低；当填料填充量较高时，表面处理增加了体系内杂质极性分子，界面极性基团偶极矩增长从而体系的介电常数随改性填料的增加而增加。

5.温度的影响

温度和频率也相互影响着介电性能。频率不变，随着温度增大，损耗因子先增大后减小。频率不同，随温度的变化介电性能也会不同，一般情况下温度越高，介电常数和损耗会越大，在高频时，损耗因子会随着温度升高先增大后减小。

6.频率的影响

随着频率变化，不同材料的介电性表现出不同的变化。介质极化产生介电常数，介质极化和电导产生介电损耗，其中主要影响因素是界面不均匀性引起的界面极化和偶极极化。因而频率对介电常数和介电损耗的影响是不容忽视的。

资料来源： 高介电常数、低介电损耗聚合物复合电介质材料研究进展，李玉超，付雪连，战艳虎，谢倩，葛祥才，陶绪泉，廖成竹，卢周广。

低介电损耗、高导热系数聚合物基复合材料的制备及介电性能研究学，周敏。