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Graphene 2018：表面改性钛酸钡可实现聚合物陶瓷纳米复合材料薄膜的最佳介电性能

金伯利·库克-陈纳德

高介电常数聚合物陶瓷纳米复合介电薄膜利用了聚合物的灵活性和加工性以及陶瓷填料的功能特性。因此，它们可以应用于印刷线路板的先进嵌入式储能设备。亲水性陶瓷填料和疏水性环氧树脂这两种组成材料的不相容性限制了填料浓度，从而限制了这些材料的介电性能。传统上使用表面活性剂和复合填料的核壳加工来实现静电和空间稳定，以获得足够的陶瓷颗粒分布。这项工作旨在通过观察颗粒表面形态来了解表面活性剂浓度在环氧树脂和陶瓷填料颗粒之间建立有意义的界面层中的作用，介电常数和器件损耗因数。对由嵌入环氧树脂基质中的未经处理和表面处理的钛酸钡 (BT) 组成的纳米复合材料进行了全面研究。使用乙醇和 3-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷进行表面处理，其中使用 0.5 体积分数的 BaTiO3 和硅烷偶联剂体积分数0.02。

通过喷雾沉积和单体纳米颗粒分散体的原位聚合，开发了一种用于制造聚合物基介电纳米复合材料薄膜的可扩展加工路线。通过优化喷雾液体流量、雾化气体压力、基材移动速度和温度等喷雾条件，获得了填料含量为10vol%至30vol%、厚度控制在5-30μm的聚二丙烯酸酯-BaTiO3薄膜。微观结构研究证实了分散良好的 BaTiO3 纳米粒子嵌入聚二丙烯酸酯基质中。介电常数~PTPGDA–30 vol%BaTiO3 薄膜在 10kHz 时达到 39，击穿强度 >100kV/mm，在 1000V 以上时具有 10−9 至 10−8A/cm2 的低漏电流，并且热稳定性高达 150°C。这项工作中开发的低成本大气喷雾沉积技术有望大规模制造用于能量电容器和不同应用的介电纳米复合材料电影。

考虑到钛酸钡 (BaTiO3, κ ~ 3,000) 的发现，完全基于陶瓷的传统介电物质由于其巨大的介电常数（或介电常数，εr 或 κ）而被广泛使用。（Arit, Hennings 等人 1985；Fujishima (2000; Ihlefeld, Laughlin et al. 2005) 这些 ABO3 类金属氧化物具有钙钛矿结构，由于核心原子 B 沿晶轴 c 的位移，可以在零场下表现出自发极化，如图 1.3 所示。然而，这些物质有许多限制，例如加工过程中的过高温度要求、极小的外加偏压下的大泄漏尖端以及限制运行电压的低介电强度（~2 V/μm）。

ABO3 钙钛矿的晶体形状。(1)非铁电相(立方相)，A：每个面上都有八面体网，B：中间原子，每个角都有氧原子。(2) 施加电场下的钙钛矿形状，其中中间原子沿着晶轴 c（四方相）移动。即使在关闭外部场之后，铁电材料也倾向于保持这种位移，表现出自发极化。可以借助施加合理大小的外场来切换该偏振的方向。当热能（kBTc，kB = 玻尔兹曼常数，Tc = 居里温度）足够高或应用强制纪律时，它还可以被消除。

另一方面，双向拉伸聚丙烯 (BOPP) 等聚合物材料表现出非常高的介电强度 (~640 V/μm) 和易于低温加工性。毫无困难地开发具有所需性能的可加工材料通常不仅来自合成新材料，还来自组合现有材料。复合布是两种或多种成分物质的组合，其行为类似于一种织物系统，具有多种成分的混合家庭。因此，添加了将高介电常数陶瓷颗粒与聚合物混合的想法11，以制造易于加工、介电常数过高、泄漏低和击穿强度过高的材料。最近，基于这种想法的一些成果已经得到证明，但收到的房屋仅适用于某些有限的应用。因此，需要在加工这些复合材料方面取得突破，以满足尖端电子产品中对超高性能材料不断增长的需求，例如更高的电容密度和击穿强度。

描述具有 0-3 连接性的复合器件的高质量介电常数的分析理论预测，高质量介电常数随着活性部分（高介电常数填料）的数量分数的增加或随着无源部分（主体聚合物）的介电常数的增加而增加。 ）。一种常用模型来描述由 Jayasundere 和 Smith 开发的介电复合结构，如方程中所证明的。将描述其中一种模型的细节。两个示例计算结果证明了该方程的使用对纳米复合材料的良好介电常数的影响。因此，高介电常数聚合物基质中高介电常数填料的过量体积分数是获得过高介电常数聚合物/陶瓷复合材料的关键方面。

聚合物/陶瓷复合材料作为介电元件已经发现了许多功能，但当代的研究方向是使用更小的颗粒（纳米颗粒），因为电子元件的小型化和集成需要在更小的地方具有相似或更好的整体性能和/或材料的范围。

纳米粒子在聚合物主体中的简单混合通常会导致不良的异常和不均匀的薄膜，这通常是由于纳米粒子的聚集所致。（Gilbert，Schuman 等人，2005）如上一节中所定义，大量介电常数过高的纳米粒子适合增大纳米复合材料的精细介电常数。增加纳米颗粒的数量分数会增加系统中纳米颗粒的界面面积。除了纳米粒子界面的操纵之外，具有高纳米粒子数量分数的处理和获得高品质纳米复合材料薄膜将变得更加困难。因此，非常需要纳米颗粒表面化学变化的技术。

对纳米颗粒表面进行化学编辑具有许多可行的优点：i）用化学改性剂或配体覆盖纳米颗粒表面，可以成功抑制纳米颗粒聚集，这是实现均匀纳米复合材料首先要解决的问题，主体物质（聚合物）中的访客物质（纳米颗粒填料）可以通过根据周围介质改变化学改性剂的形状来扩展，iii）可以为另外的加工、研究定制不同的有利化学性能和不同的应用，一旦表面改性化学建立起来，它就可以毫不费力地用于其他类似的系统。