高介电聚合物

高分子物理

结课作业

题目：高介电常数聚合物基复合材料

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高介电材料具有良好的储能和均匀电场作用，拥有非常广阔的应用空间，在埋入式电容元件、高能存储器、电缆、电活性物质等领域有着极为重要的应用，

开发易加工、介电常数（D

ｋ）高、介电损耗（D

ｆ

）低等综合性能优越的新型电子

材料成为研究的热点。

聚合物在外场（包括电，力温度等）作用下，电介质分子或者其中某些基团中电荷分布发生相应变化，可以产生极化现象。在外电场作用下，由于分子极化将引起电能的储存盒损耗，这种性能称为介电性。电介质的特征是以正、负电荷重心不重合的电极化方式传递、存储和记录电的作用和影响。电介质在电场下最主要的电特性是电导和极化,极化是电介质中电荷(束缚在分子或局部空间中不能完全自由运动的电荷及自由电荷) 在电场中作微小位移(自由电荷移至界面与电极表面) 或受限的大尺度位移,而在电介质表面(或界面) 产生束缚电荷的物理过程[1]。

在微观上,电介质的极化主要有 3 种基本形式:(1) 材料中原子核外电子云畸变产生的电子极化; (2)分子中正负离子相对位移造成的离子极化; (3) 分子固有电矩在外电场作用下转动导致的转向极化[1]。此外,还有空间电荷极化、带有电矩的基团极化以及界面极化。

高介电材料制备的器件尺寸仅为传统振荡器和介质相的1/ DK[ 2 ],因此,高介电常数(DK) 材料的发展将成为制约电子器件微型化、高速化的关键因素, 传统的某些无机材料（如陶瓷）介电性能非常突出，但难加工、Dｆ值大；有机类介电材料，如ＰＥＴ、ＰＰＳ、ＰＣ、ＰＤＦＥ等，具有良好的加工性和柔韧性，但Ｄｋ值低。高介电聚合物基复合材料（ＨＤＰＣｓ）结合了无机材料和高聚物材料的优点，形成了Dｋ高、易加工和Ｄｆ低等性能优异的新型功能材料。导电粒子填充的聚合物在一定条件下也可以形成性能优异的高介电材料。ＨＤＰＣｓ在其性能研究和应用开发方面已经成为工程电介质物理研究的一大课题，是工程电介质材料研究的热点和重点。

1.高介电聚合物基复合材料的应用

1.1在无源电容器中的应用

随着集成电路朝着超大规模、超高速、高密度、大功率、高精度多功能的方向迅速发展，被动元件的嵌入化是提高系统集成度和小型化的一种有效途径和研究热点。被动原件中电容器约占电路板组装无源器件总数的４０％～７０％，因

而埋容技术受到更加特别的关注［3］。图1为被动原件埋入示意图。

图1 电路板中无源器件的埋入［4］

埋容技术要求材料具有高D

ｋ值、低D

ｆ

值、低加工温度、低的渗漏电流以及高

的击穿电压等。制备高介电聚合物基复合材料（ＨＤＰＣｓ）是一种很有前景的方法，也被认为是埋入电容器应用中最有前途的材料之一。

1.2 在高储能电容器中的应用

在高储能电容器中的应用ＨＤＰＣｓ在高储能电容器上有非常重要的应用。在交流电压作用下,电介质要消耗部分电能将其转化为热能而产生损耗,这种能量损耗叫作电介质的损耗,即介质损耗角正切(ｔａｎδ) 。电容器的发热主要是由介电损耗引起的,在电压的作用下,电容器的温度逐步升高,一段时间后,当产品的发热量与其散热量相等时,便达到了热平衡状态[5] 即:

P = 2πf CU/ｔａｎδ

在相同的交流电压频率ｆ、电压Ｕ、电容Ｃ下，电容器的散热性决定于介质损耗ｔａｎδ，所以,高储能电容器要求介电常数尽量高,而其介电损耗要尽量低。

1.3在电缆行业中的应用

在电缆行业中的应用电缆中间接头和终端的电场具有极不均匀性，由于高Ｄ

ｋ

值材料在外电场的作用下可以产生很强的与外电场方向相反的附加电场，该附加电场的电场强度会随着外电场的增大而增大，从而具有极佳的均匀电场的作用，在电缆终端和接头中具有广泛的应用。另外，电缆接头和终端也要求散热性好，因此要求这种材料的介质损耗也要尽可能低。

此外，由于ＨＤＰＣｓ综合性能优异，在微波吸收隐身材料、生物工程研究等领域也得到了广泛的研究。

2.高介电聚合物基复合材料的介电机理

精确求解复合体系介电常数是一件非常困难的事情，各个部分的介电常数、填料分散性、界面之间的作用等都会影响复合材料的介电常数。基于经验结果和理论，研究人员提出了大量的模型来预测聚合物－填料体系的介电常数。

2.1串并联模型

Newnham等［6］对双组元复合材料的微观机制提出了两种理想模型：并联和串联排列模型，如图２所示。串联排列和并联排列模型的介电常数如式（1）、（2）所示。

ε＝v

ｐ/ε

ｐ

＋ｖ

ｆ

/ε

ｆ

（1）

ε＝v

ｐε

ｐ

＋ｖ

ｆ

ε

ｆ

（2）

式中：ε、ε

ｐ、ε

ｆ

分别为复合材料、聚合物、填料的介电常数；v

ｐ

、v

ｆ

分别为聚合物、填料的体积分数。

串联排列和并联排列为复合材料的两种极端情况，大多情况下可认为是两相的混联排列，如式（3）所示。

εｎ＝v

ｐε

ｐ

ｎ＋v

ｆ

ε

ｆ

ｎ（3）

式中：n为常数，串联时为－１，并联时为＋１。

图2 串联（ａ）和并联（ｂ）模型［6］2.2 Lichtenecker对数模型

对于混联排列，当n 趋于零时，ε

ｘｎ趋于1＋nlogε

ｘ

（x 代表p或f），

由此可得Lichtenecker对数方程［7，8］，如式（４）所示。

logε＝ｖ

ｐlogε

ｐ

＋ｖ

ｆ

logε

ｆ

（4）

式中：ε、ε

ｐ、ε

ｆ

分别为复合材料、聚合物、填料的介电常数；v

ｐ

、v

ｆ

分别为聚合物、填料的体积分数。

Lichtenecker对数方程将复合体系作为一个近球形的随机混合来考虑，没