[发明专利]一种碳/硅核壳结构-聚合物高介电复合材料

说明书

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，涉及一种含有碳/硅核壳结构材料的聚合物基复合介电材料。 

背景技术

近年来，聚合物材料由于来源广泛、成本低廉、性能优异、无污染的特点使其在介电材料领域有着广泛的应用，而越来越受到人们的重视。与传统陶瓷介电材料相比，聚合物材料克服了加工工艺复杂、成本高、力学性能差、污染严重的问题，但是有机聚合物材料本身的介电常数比较低，这就限制了其在介电领域的应用。为了获得更高的介电常数材料，人们尝试在聚合物中加入高介电陶瓷粉末，但是当陶瓷添加量达到一个很大的值时，复合材料的韧性会降低。当前，人们发现在聚合物基体中加入微量纳米导电材料时，其介电性能得到了极大地改善，同时又保留了聚合物材料优良的韧性。 

在纳米导电材料中，由于纳米碳材料（碳纳米管、碳纳米线、纳米碳纤维、纳米碳球、石墨烯等）具有性能优异、成本低廉等优点而受到人们的广泛关注。当前，一个制约制备高介电性能纳米碳-聚合物复合材料的关键问题就是纳米碳材料在聚合物材料中的团聚现象。为此，人们尝试采用化学气象沉积（CVD）方法在碳化硅表面生长出排列规整、分布均匀的碳纳米管，然后与聚合物混合后制备出介电性能优秀的碳纳米管均匀分布的聚合物基介电材料（Appl.Phys.Lett.98,032901,2011）。此外，人们发现化学修饰的碳纳米管可以均匀分散在聚合物材料中，从而，有效阻止了聚合物材料中碳纳米管导电网络的形成和漏电流的增大，进而使得碳纳米管-聚合物复合材料的介电性能得到了极大地提高（J.Phys.Chem.C113,17626-17629,2009）。近年来，人们利用氧化石墨烯良好的溶剂分散性制备了氧化石墨烯分散均匀的复合材料，再通过热还原的方法还原得到了介电性能优异的石墨烯-聚合物复合材料（Nano Lett.12,84,2012）。总之，提高纳米碳材料在聚合物材料中的含量和分散性，防止其形成导电网络是制备高介电性能纳米碳-聚合物复合材料的关键。 

因此，我们选取了具有二维六方结构且内部孔道排列均一的SBA-15硅分子筛，将碳采用一定的方法填入分子筛孔道中得到碳/硅核壳结构材料，再将其作为填料与聚偏氟乙烯（PVDF）混合制得聚合物基复合材料，使碳均匀地分散在聚合物材料中，该材料拥有优异的介电性能。此外，该方法简单易行，成本低廉，无污染，适合批量生产，是一种有前景的制作聚合物基介电复合材料的方法。 

发明内容

本发明的目的是通过将碳/硅核壳结构材料分散在聚合物中，制备出具有高介电性能的复合材料。 

下面以具体实例来说明本发明目的的实现过程，首先我们采用二次浸渍法，在硫酸的催化下，将蔗糖溶液填入SBA-15的孔道内，然后，将其干燥后放入管式炉中进行高温炭化，得到以硅分子筛为外壳，内部填碳的核壳型结构材料。该核壳结构材料通过硅的阻隔，提高了碳材料在聚合物中的分散性，有效避免了碳材料之间的大量团聚，阻止了导电网络的形成，从而明显提高了聚合物基复合材料的渗流阈值，进而得到了高介电常数的复合材料。 

利用碳/硅核壳结构材料与PVDF制备高性能介电复合材料的具体步骤如下： 

（1）将0.141克浓硫酸、1.25克蔗糖溶于5毫升水，向该溶液中加入1.00克SBA-15，超声分散浸渍30分钟。 

（2）将所得的糊状混合物在70℃下干燥1小时，再分别在100℃和160℃炭化6小时。 

（3）将所得的深棕色固体研磨成细粉，重复上述浸渍和低温炭化过程，第二次浸渍所用浸渍溶液的质量为第一次的66%（保持蔗糖，硫酸和水的质量比与首次浸渍时相同）。 

（4）将所得混合物置入管式炉中，在氮气保护下，以每分钟5℃的速率升温至900℃炭化3小时。 

（5）降温后，用去离子水洗涤，干燥得到碳/硅核壳结构材料。 

（6）称取一定量的经过(1)-(5)步骤制得的碳/硅核壳结构材料，加入一定量乙醇后，超声分散3小时，之后称取一定量的PVDF粉末，将PVDF粉末分次加入到碳/硅核壳结构材料和乙醇混合液中，之后继续超声分散2小时，得到混合均匀的悬浊液。将悬浊液倒入表面皿中，80℃下干燥4小时，将干燥后的物质在玛瑙研钵中研磨得到细微的粉末。 

（7）取一定量(6)步骤得到的细微粉末，使用粉末压片机将其压为薄片，然后将薄片置于200℃下保温3小时，得到碳/硅核壳结构-PVDF复合材料。将薄片表面抛光，表面涂覆导电银胶，烘干后即可进行电学性质的测量。