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(1.武漢工程大學，湖北 武漢 430073； 2.江漢大學，湖北 武漢 430056)

介電材料在電子電氣、軍事、航天航空等領(lǐng)域具有無法替代的重要地位，隨著信息的飛速發(fā)展和電子技術(shù)的更新迭代，各種電子器件也逐漸趨于微型化、集成化[1-3]。所以，性能突出且綜合性能優(yōu)異的化工新型材料成為當前的主要研究方向[4]。絕緣性導熱填料因其具有優(yōu)越的導熱性而被應(yīng)用于介電材料中，其中，高導熱性的聚合物基復合材料具備質(zhì)量小、加工簡單、成本低廉和機械性能優(yōu)良等特性，因此，制備導熱填料/聚合物復合材料越來越受到人們的關(guān)注。為了獲得既具有導熱性，又具有高介電性能的多功能復合材料，需要對現(xiàn)有導熱材料的介電性能進行研究。

以聚合物為基體，將微納米尺寸大小的導熱陶瓷顆粒作為填料，制備出系列導熱性聚合物復合材料，不僅具有無機材料的高導熱性能，而且還具備聚合物特有的黏結(jié)性、韌性、加工性能優(yōu)良等性能[5-8]。例如，作為常用高分子材料的聚丙烯，除了具有密度低、質(zhì)量輕的優(yōu)點外，還是一種電性能優(yōu)異的高頻電介質(zhì)絕緣材料，故常用作電容器材料[9-10]，但是，單一的聚丙烯聚合物材料的介電常數(shù)較低(約為2.5)，難以滿足作為高介電常數(shù)材料使用的要求。通過在聚丙烯中填充氮化硅和碳化硅等導熱填料來制備相應(yīng)復合材料，并研究其介電常數(shù)和介電損耗的變化規(guī)律，對制備既有高導熱性，又有高介電性的多功能聚合物復合材料具有重要意義。

1 實驗部分

1.1 主要試劑和原料

主要的試劑和原料包括聚丙烯(PP)/HJ730(韓國三星道達爾公司)；氮化硅(Si3N4)/分析純(阿拉丁試劑有限公司)；碳化硅(SiC)/分析純(阿拉丁試劑有限公司)；導電銀漿/SS-5200(上海新盧伊有限公司)。

1.2 主要儀器與設(shè)備

主要儀器與設(shè)備包括電子天平/FA2004(上海恒平科學儀器有限公司)；電熱鼓風干燥箱/WGL-65B(天津市泰斯特儀器有限公司)；熱壓機/R-3202(武漢啟恩科技有限公司)；LCR表/Agilent·E4980A(深圳市安吉倫電子儀器有限公司)。

1.3 復合材料的制備

1.3.1 Si3N4/PP兩相復合材料的制備

Si3N4/PP的兩相復合材料的制備按照填料體積分數(shù)的不同制備5組，其中，Si3N4的體積分數(shù)分別為10%、20%、30%、40%、50%。首先，第一組中Si3N4的體積分數(shù)為10%，設(shè)定PP基體的質(zhì)量為0.300g，根據(jù)Si3N4的密度計算出相應(yīng)的質(zhì)量0.125g，稱出相應(yīng)質(zhì)量的基體和填料，然后倒入研缽中研磨15min 。待充分混合后，取出模具，將模具內(nèi)表面涂上硅油，倒入剛研磨好的混合物。封好模具后，放入熱壓機中，在溫度為180～200℃、壓力為15MPa(a)的條件下保壓20min，然后在室溫下保壓自然冷卻至室溫后得到兩相復合材料。其他不同體積分數(shù)Si3N4/PP復合材料的制備以此類推。

1.3.2 SiC/PP兩相復合材料的制備

不同比例的SiC/PP兩相復合材料的制備參照1.3.1。

1.3.3 Si3N4/SiC/PP三相復合材料的制備

按照Si3N4/SiC不同的體積比分成4組，PP的體積分數(shù)固定為50%，2種填料的體積比分別為1∶4、2∶3、3∶2和4∶1，并制備一組純PP的介電材料以做對照。實驗步驟同上，混合物放入熱壓機后，在溫度為190℃、壓力為15MPa(a)的條件下保壓20min，然后在室溫下保壓自然冷卻至室溫后得到三相復合材料。其他不同體積分數(shù)Si3N4/SiC/PP復合材料的制備以此類推。

1.4 介電性能測試

將復合材料進行打磨處理，得到直徑約為13mm、厚度約為1.5mm的光滑平整的薄圓柱片樣品，測量并記錄其厚度。然后在樣品表面涂上導電銀膠，置于烘箱中烘干。約1h后取出，磨去側(cè)面涂上的銀膠，然后放在自封袋中做好標記。樣品的介電性能測試所用的儀器是精密LCR表。測試頻率在100～1 000 000Hz下的介電損耗和對應(yīng)的電容。介電常數(shù)值是通過下列公式計算出來的。

上式中，C表示電容，F(xiàn)；d表示樣品的厚度，m；S表示樣品涂銀的面積，m2；ε0表示真空介電常數(shù)，其大小為ε0=8.85×10-12F/m。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同比例的Si3N4/PP復合材料介電性能

圖1和圖2分別是在不同的體積分數(shù)下Si3N4/PP復合材料的介電常數(shù)和介電損耗隨頻率變化的關(guān)系。

圖1 Si3N4/PP復合材料的介電常數(shù)-頻率

圖2 Si3N4/PP復合材料的介電損耗-頻率

從圖1中分析可得，純PP的介電常數(shù)對頻率表現(xiàn)出穩(wěn)定性，保持在2.5左右，與理論值相近。且隨著填料含量的增加，復合材料的介電常數(shù)在低頻階段表現(xiàn)出不同程度與頻率變化的相關(guān)性。隨著頻率的增加，介電常數(shù)趨于下降。在高頻階段，復合材料的介電常數(shù)逐漸保持穩(wěn)定。在PP基體中添加Si3N4填料后，介電常數(shù)比單體的介電常數(shù)有較大的提升，而且隨著填料體積分數(shù)的提高，復合材料的介電常數(shù)進一步升高，并在填料的體積分數(shù)為50%時達到最大，介電常數(shù)為6.6。

從圖2中分析可得，純PP的介電損耗在低頻階段表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，當頻率大于1 000時，介電損耗穩(wěn)定在0.01左右。復合材料的介電損耗在低頻同樣表現(xiàn)出不穩(wěn)定的現(xiàn)象，隨著頻率增加，介電損耗隨之降低。在聚合物基中添加填料后，復合材料的介電損耗增大，在低頻段與PP的差距在0.05左右，隨著頻率增加，介電損耗的增加量就小得多。當填料體積分數(shù)為50%時，介電損耗的增加量最低，且介電損耗在添加不同比例Si3N4的復合材料中為最小，在0.02左右。

2.2 不同比例的SiC/PP復合材料介電性能

圖3和圖4分別是在不同的體積分數(shù)下SiC/PP復合材料的介電常數(shù)和介電損耗隨頻率變化的關(guān)系。

圖3 SiC/PP復合材料的介電常數(shù)-頻率

從圖3中分析可得，在PP基體中添加SiC填料后，介電常數(shù)的提升更加顯著，而且隨著填料體積分數(shù)的提高，復合材料的介電常數(shù)進一步升高，并在填料的體積分數(shù)為50%時達到最大，介電常數(shù)達到了17.8，是聚丙烯單體的6倍多，同時比SiC單體的介電常數(shù)還要高。這是因為SiC的介電常數(shù)本來就比PP基體的要高，作為填料加入PP基體中，會在一定程度上改善并提高復合材料的介電常數(shù)。而且，SiC在PP基體中的分布狀態(tài)等其他條件可能會進一步優(yōu)化復合材料的介電常數(shù)。

圖4 SiC/PP復合材料的介電損耗-頻率

從圖4中分析可得，純PP單體和復合材料的介電損耗在低頻階段都表現(xiàn)出不穩(wěn)定性。純PP的介電損耗在高頻段穩(wěn)定在0.01左右。復合材料的介電損耗比基體要高，且隨頻率的增加而降低，但變化較平穩(wěn)。當SiC的體積分數(shù)為50%時，復合材料介電損耗最大，但是介電損耗的最大值不超過0.1。

2.3 Si3N4/SiC/PP復合材料介電性能分析

圖5和圖6分別是在固定PP體積比為50%的條件下，不同填料比的Si3N4/SiC/PP復合材料的介電常數(shù)和介電損耗隨著頻率變化的關(guān)系。

圖5 Si3N4/SiC/PP復合材料的介電常數(shù)-頻率

圖6 Si3N4/SiC/PP復合材料的介電損耗-頻率

從圖5中分析可得，復合材料的介電常數(shù)在低頻段增加較多，當頻率增加時，復合材料的介電常數(shù)有不同程度的下降，在高頻段，不同比例的復合材料的介電常數(shù)相差不大，但是與基體相比，還是有大幅度提升。當Si3N4和SiC的體積分數(shù)比為1∶4時，介電常數(shù)最大達到16.4。

從圖6中分析可得，混合填料使PP單體的介電損耗提高了。在低頻段的提高在0.05左右，在高頻段更小，約為0.02。

2.4 對比分析

通過對比分析以上實驗數(shù)據(jù)后，在各組內(nèi)找出對應(yīng)的關(guān)系，下面將在各組中性能最好的樣品放在一起進行比較，找出最佳的填料和配比，以及研究其他相關(guān)的關(guān)系。

圖7 不同填料的復合材料介電常數(shù)對比

圖8 不同填料的復合材料介電損耗對比

從圖7中分析可得，固定PP體積比為50%，當Si3N4和SiC的體積分數(shù)比為1∶4時，其介電常數(shù)最大達到16.4。此時，Si3N4/SiC/PP三相復合材料介電常數(shù)值較大，稍低于SiC/PP兩相復合材料的介電常數(shù)值。但從圖8中分析可得，當Si3N4和SiC的體積分數(shù)比為1∶4時，Si3N4/SiC/PP三相復合材料的介電損耗低于碳化硅/PP兩相復合材料的介電損耗值。因此，在PP中同時填充Si3N4和SiC，既有利于提高其介電常數(shù)，又能保證其介電損耗較低，同時也改善和提高了PP作為介電材料使用時的介電性能。

3 結(jié)語

通過在PP中填充不同比率的Si3N4和SiC進行復合材料的制備與介電性能的測試，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，填充加SiC和Si3N4填料均能提高PP的介電常數(shù)，SiC填料比Si3N4填料更有利于PP復合材料介電常數(shù)的增加。同時，固定PP體積比為50%，當填料的體積比Si3N4∶SiC為1∶4時，三相復合材料介電常數(shù)最大，達到了16.4，且介電損耗低，在0.03左右。因此，通過制備Si3N4/SiC/PP三相復合材料，既有利于提高PP的介電性能，同時滿足其作為高介電性能材料使用的性能要求。