高介电聚合物基复合材料的研究进展.pdf
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1、高介 电聚合物基复合材料的研究进展 殷卫峰等 7 5 高介 电聚合物基复合材料的研究进展 殷 卫峰,苏民社,颜善银(国家电子电路基材工程技术研究中心,东莞 5 2 3 8 0 8)摘要 综述了高介 电聚合物基复合材料(HI)P C s)在埋容器件、高能存储等方面的应用,探讨了 HD P C s 的高 介 电机理、不 同类型 HD P C s的研 究状 况以及不 同因素对 HD P C s 性 能的影响,并展望 了 HD P C s的前景。关键词 高介电性能复合材料填料聚合物基体 中图分 类号:T B 3 3 2 文献标识码:A Re s e a r c h Adv a n c e s o n
2、Po l y me r M a t r i x Co m p o s i t e s wi t h Hi g h Di e l e c t r i c Co n s t a nt YI N W e i f e n g,S U M i n s h e。YAN S h a n y i n (Th e Na t i o n a l En g i n e e r i n g Re s e a r c h Ce n t e r f o r t h e El e c t r o n i c Ci r c u i t B a s e Ma t e r i a l s,Do n g g u a n 5 2 3
3、 8 0 8)Ab s t r a c t Ap p l i c a t i o n p r o g r e s s o f h i g h d i e l e c t r i c c o n s t a n t p o l y me r ma t r i x c o mp o s i t e s(HDP Cs)a t e mb e d d e d c a p a c i t o r s,h i g h e n e r g y s t o r a g e,e t c i s r e v i e we d Di e l e c t r i c me c h a n i s m,r e s e a
4、 r c h e f f o r t s o f d i f f e r e n t t y p e s o f HDP Cs,e f f e c t o f d i f f e r e n t f a c t o r s o n HDP Cs p r o p e r t i e s a r e d i s c u s s e d I n a d d i t i o n,p r o s p e c t o f HDPCs i s a l s o p r e s e n t e d Ke y wo r d s h i g h d i e l e c t r i c p r o p e r t i
5、 e s,c o mp o s i t e,f i l l e r,p o l y me r ma t r i x 0 引言 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,在埋人式 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 )高、介电损耗(D )低等综合性能优越的新型电子材料 成为研究的热点 _”。传统的某些无机材料(如陶瓷)介 电性 能非常突出,但难 加工、D r 值大;有机类介电材料,如 P E T、P P S、P C、P D F E等,具有 良好 的加工性和柔韧性,但 D 值低。高介电聚合物基 复合材料(HD
6、 P C s)结合了无机材料和高聚物材料的优点,形 成了 D 高、易加工和 D 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。HD P C s 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。目前,高介电材料无论在其性能研究方面还是应用开发 方面都取得 了令人瞩目的进展,然而,对 HD P C s 进行系统性 论述的文献还 比较 少。本文概述 了高介电聚合物基 复合材 料(HDP cs)的应用、介电理论、国内外研究现状,并展望了其 未来的发展趋势。1 高介电聚合物基复合材料的应用
7、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,被动元件的嵌人化是提高系 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 4 O 7 0 ,因而 埋容技术受到更加特别 的关。图 1为被动原件埋入示 意 图。Su r f a C e mo u n t d e v i c e (B G A C S P F C)Emb e d de d i n d ue t o r s 图 1 电路板 中无源器件的埋入_ 9 Fi g 1 S c h e ma t i c i l l u s t r a
8、 t i o n o f e mb e d d e d p a s s i v e s i n t e g r a t ed i n t o t h e l a m i n a t e s u b s t r a t e 9 埋容技术要求材料具有高 D 值、低 D 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(HDP Cs)是一种很有前景的方法,也被认为是埋人 电容器应用 中最有前途 的材料之一l l”。1 2 在高储能电容器中的应用 H D P C s 在高储能电容器上有非常重要的应用。电容器 储存的电能与介质材料的 D 值成正比,高 D 值材料可以减 少介
9、质材料的用量,大大减小电容器的体积和质量。电容器 的散热能力也是一个重要的性能指标。在相同的交流 电压 频率 厂、电压 U、电容 C下,电容器 的散热性决定于介质损耗*广东省科技计划项 目(2 0 1 1 A0 6 0 9 0 6 0 0 1)殷卫峰:男,1 9 8 5年生,硕士,工程师,主要从事高介电材料的研究 苏民社:通讯作者,1 9 7 1 年生,高级工程师,研究方向为高频高 速及微波 电路用覆铜板Te l:0 7 6 9 8 8 9 8 6 3 1 8 7 2 5 7 E-ma i l:s u ms s y s t c o rn c n 7 6 材料导报 A:综述篇 2 0 1 3年
10、1 月(上)第 2 7卷第 1期 t a n c ,所以要求 电容器材料具有高的 D 值、低的 D 值一 ”。1 3 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 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,陔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,凶此要求这种材料的介质损耗 也要尽可能低L 1。此外,由于 HDP Cs 综 合性 能优异,在做波吸收隐身材 料、生物T程研究等领域也得到了广泛的研究一。2 高介电聚合物基复合
11、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 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 Ne wn h a m等E i s 对双组元复合材料的做观机制提f f j 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。一+(1)e【_ f 一 u +U f S f(2)式中:e、e 、e r 分别为复合材料、聚合物、填料的介 电常数;、r分别为聚合物、填料的体积分数。串联排列和并
12、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。一 l p +VfS f”(3)式中:”为常数,串联时为一1,并联时为+l。,(a)(b)图 2 串联(a)和并联(b)模型E F i g 2 M o d e l o f p a r a l l e l a r r a n g e me n t(a)a n d s e r i e s a r r a n g e me n t(b)。2 2 L i c h t e n e c k e r 对数模型 对于混联排列,当 趋于零时 趋于 1+n l o g e (代 表 P或 f),由此可得 1 i c h t e n
13、 e c k e r 对数方程。,如式(4)所 刀。l o g s u l o g s +v f l o g s r(4)式 中 e s 分别为复合材料、聚合物、填料的介 电常数、r分别为聚合物、填料的体积分数。I A c h t e n e c k e r 对数方程将复合体系作为一个近球形的随 机混合来考虑,没有考虑相界面之间的作用,在低 含量 条件 下预测介电常数是有效的。随着填料含量的增加,分散性变 差、空隙增多,预测结果偏差增大。修正的 L i c h t e n e c k e r 方 程(式(5)引入 了相界面作 用的拟合常数 是(F i t t i n g f a c t o r
14、,0 3 左右E 2 1),但高填充条件下,仍旧没有解决空隙和分散性 问题,且拟合常数 是 对不同的聚合物、填料很敏感。1 o 冰 一 l o g s +f(1 (5)2 3 三相复合模型 对于球形颗粒(分散相)均匀分散在另一相(基相)的两 相混合体系,当每一个球形包覆体(S p h e r i c a l i n c l u s i o n)的局 部场(I o c a l f i e l d)都相等时,Ma x we l l L 2。推导出一计算混合介 质介电常数 的公式(式(6)。l 1+(6)L 厶 mTSd 7)d Sd一m,式中 E、e 、e 一 分别为复合材料、基相、分散相 的介
15、电常数 为分散相的体积分数。式(6)适用于低填充且两相介 电常数 相差不大的情形。基于 Ma x we l l 理论,Vo和 S h i 比 提m了一个填充物 界 面一 基体 _二相模型,认为复合体系的介电常数不但与分散相和 基相的尺寸、浓度有关,还与界面相的相互作用程度有关,如 式(7)所 示。(1)r(一 1)(2 s +1)。1 (+2)L(+2)(+2)(2 s +)C h (7)式中:e、E n 分别为复合材料、基相、界面相 的的介电常数,、7,r l 和h与复合材料本身的性质有关,b 分别为分散相被 包裹后的界面相、基相半径。Vo S h i 模型及方程的物理意义 清楚,但是参数较
16、多且不易确定。通过研究对数混合法则中的正负偏差,王庭慰等“也认 为基相一 分散相形成的相界层会影响复合材料的介电常数,根 据对数混合法则,得到式(8)。l n E l l n 【】+V i l n e,+W f l n e f (8)式中 e E l、e r 分别为复合材料、高聚物、相界层和填料的介 电常数;r 分别为高聚物、相界层和填料的体积分数。2 4 J a y a s u n d e r e-S mi t h方程 Ke r n e r 模型将介电填料作为一可极化的球形体,在电场 作用下产生偶极子,简单地符合材料介质理论:。但 Ke r n e r 模型未考虑填料与树脂基体之 间、填料与
17、填料之间的作 用对介电性能的影响,而这在高填 充体积下是非常重要 的。为了更好地建立高填充体积模型,J a y a s u n d e r e 和 S mi t h引入 了一修正 内在场(L o c a l f i e l d),发展了 Ke r n e r 模 型,得到 J a y a s u n d e r e S mi t h方程,如式(9)所示。=3 e p:I 1-3 v f(S f-S l,)I 卅()(9)式中:e、e r 分别为复合材料、高聚物、填料的介 电常数、分别为聚合物、填料的体积分数。2 5 有效介质模型 1 9 3 5年 B r u g g e ma n提 出了对称有
18、效介质模型 】,把对 高介 电聚合物基复合材料的研究进展 殷卫峰等 7 7 称有效介质看成是由球形颗粒无规混合并充满整个空间、各 相拓扑等价的体系,其模型为一种均匀有效 的介质理论,根 据 3个基本假设推导出其模型的自洽条件(式(1 O)。厂 +(1 一 厂)一 0 (1 O)1广 2T厶 式 中:e 是第一相球形颗粒的介电常数 嘞 是第二相的介电 常数,厂是第一相的体积分数。R a o 等。在有效介质(E MT)的基础 上,假设 了一 种树 脂基体包覆的填料随机单元(R C U),同时为了减小填料形状 对复合材料的影响,引入经验形态参数,建立了能准确预测 聚合物一 陶瓷体系的介电模型(式(1
19、 1)。e 一 +式中 、e 分别为复合材料、基相和分散相的介 电常数;为分散相 的体积分数;”为经验形态参数,值越小球形度越 高。此模型要求填料颗粒粒径非常小(适用于纳米颗粒)。2 6 金属颗粒提高介电常数的相关理论 许多绝缘材料中填人导电粒子后,其介电常数会明显提 高,当导电粒子加入量达到一定值时,相应的集结簇增多,材 料由介电体变为导电体,此 时填料颗粒 的加入量 为渗流 阈 值_ 2 ,如图 3、图 4所示。(a)颗粒随机分散 一 :(b)颗粒不均匀分散(c)渗流簇(d)颗粒 聚集 图 3 填料各向同性分布时渗流体 系形成的示意图 o F i g 3 S c h e ma t i c
20、d i s t r i b u t i o n i ma g e s o f f i l l e r s wi t h i s o t r o p y 。通过引入“排斥体积(E x c l u d e d v o l u me)”的概念,渗流阈 值 如式(1 2)所示。f c 一 1-e x p(一 )(1 2)式中:是颗粒的体积,(是颗粒平均排斥体积,B 是每 个位置上平均的键数(对于球形颗粒(3 D)B 一2 7,对于碟形 颗粒(2 D)B 一4 5)。渗流阈值与填料颗粒的形状和尺寸有 密切的关系L 3 。Do y l e和 J a c o b s 认为随着掺人体积 比的增大,金属粒子 与
21、绝缘体体系会存在某种程度 的不均匀,较直观地引入平均 高级多极 相互作用项,对 C l a u s i u s Mo s s o t t e 方程进 行 了修 正,得到 C M I)I J 方程(式(1 3),此方程适用于任何形状粒 子填料的复合体系。一 一 +户(去-1)(s)式中:为复合介质球 的极化率;e e e e 为复合材料的介 电常数,e。为聚合物基体的介电常数;P为金属球所 占有的体 积比,P (2 2 5)、加_丁性好。I i 等 n l 通过热沉降法制备 了粒径 1 7 1 0 0 n m的 B T O填料,表面处理后,研究发现粒 径为 7 0 n m 时制备 的 HD P
22、C s介 电 常数值 最 大(8 0)。Ko b a y a s h等_】通过旋涂法制备 了厚度为亚微米级的 B T O P V D F、B T()P I 薄膜,研究发现 P VD F薄膜的填料分散性、表观、介 电性能优异于 P I 薄膜,且 B T O粒径 的增大有助于 D k 值 的提高。C h e n等l 3 通过原位 聚合法制备 了 B T O P I 的 HD P C s,填料分散性好、D 的频率稳定性高、介电击穿 电 压大、损耗 低。Ho t c h k i s s等 5 研 究发 现 B T O 含量小 于 5 0 (体积分数)时,实际 Dk 值与理论值相符(I i c h t
23、e n e c k e r 对数模型、J a y a s u n d e r e S mi t h模型);B T O含量大于 5 O (体 积分数)时,空隙和渗漏 电流(P e r c o l a t i o n)的存在导致 D 的 7 8 材料导报 A:综述篇 2 0 1 3 年 1月(上)第 2 7卷第 1 期 实际值与理论 值偏 差过 大,且材 料 的介 电强度下 降。Xu 等_ l 引入橡胶环氧制备 了陶瓷 E P的 HD P C s,其填充率高(5 0 (体积分数)以上)、D 值大(5 0以上)、力学性能好,可 通过热应力可靠性试验。3 2 导电颗粒 聚合物 0 3型 高介电聚合物基
24、复合 材 料 在树脂基体 中填充导电粒子,树脂基体的介 电常数可极 大地提高,有望更好地应用于小体积大容量的微 型电容器、电子计算机记忆元件、热敏电阻器件等。I i u 等”采用电纺 丝和热压法制备 了 C NT有序排列的 CNT 聚合物 HDP C s,在很宽 的频率范围内 D 值 高、损耗小。L u等 制备 了高 D、低 Df 的 Ag B C(炭黑)E P高介 电聚合物基复合材料,研 究了金属纳米粒子的尺寸、分布、添加量对复合材料介 电性 能的影响,认为界面上的电荷堆积导致 D 值升高,金属纳米 粒子的库伦阻滞效应(C o u l o m b b l o c k a d e e f f
25、e c t)导致 Df 值减 小。此外,I u等。在 Ag E P复合体系中引入 自钝化 Al 粒 子,Dk 值增加值超过 5 O ,且 Df d0 1。Z h e n g等。通过浇 铸的方法制备 了 Ag纳米线 P VDF的 HD P C s,Ag纳米线分 散性好、复合材料 D k 值高(8 0 O)。L i 等 制备 了 3种不 同 的 HDP C s:镍粉 聚合物、酞菁处理 B T()聚合物、B T()双马 来酰亚胺(B MI)聚酰胺(P A),D 值都达到了 8 O以上。3 3 复合填料 聚合物体 系高介电复合材料 多种填料复合可进一步提升高介电材料的综合性能,得 到 D 值高、D 值
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