二维氮化硼纳米片协同多维填料调控聚酰亚胺复合材料微结构及性能
电介质材料的选择和结构设计对推动现代电子器件的小型化、高度集成化和多功能化发展具有重大意义。近期，三元杂化聚合物基纳米复合材料在提升聚合物电绝缘特性、机械和导热性能等方面崭露头角。通过合理挑选具有不同维度和特性的无机纳米填料进行杂化和结构设计，可以满足特定环境下不同工作需求，成为高分子科学领域的研究热点。本文以聚酰亚胺(PI)为基体，以零维纳米氮化铝(AlN)、一维微米钛酸纳米管(TNs)和二维微米扩层二硫化钼(E-MoS2)分别与二维纳米氮化硼(BN)构成杂化填料体系，采用原位聚合法设计制备了一系列具有优异电学、力学和热学性能的新型三元纳米复合薄膜，研究二维BN纳米片与不同维度填料形成的取向分布、界面结构、陷阱能级和空间电荷分布及对复合薄膜微结构和性能的影响规律和耐电特性提升机理。 研究发现，零维AlN与二维BN在PI基体中分散良好，形成“球片环绕结构”。适量掺杂(3 wt％-5 wt％)BN-AlN杂化填料，可以抑制界面态破坏，增强界面极化，在高频范围限制偶极子转向，提高复合薄膜介电常数，降低介电损耗。在掺杂3wt％时，PI/BN-AlN复合薄膜交流击穿场强可达160kV/mm，分别比纯PI和PI/AlN提高了45％、13％。随着掺杂组分增加，PI/BN-AlN复合薄膜耐电晕老化寿命和热稳定性均得到大幅提升。 PI/BN-TNs三元复合薄膜中一维TNs表面含有大量羟基，存在许多氢键，BN附着TNs表面形成“空间网络桥接结构”，部分TNs经BN诱导在基体中呈现水平取向分布。小角X射线散射(SAXS)结果表明，随着BN-TNs组分增加，复合薄膜相间界面层厚度逐渐减小，质量分形维数逐渐增加，散射环具有各向异性，存在取向结构。PI/BN-TNs复合薄膜的填料均匀性、取向性和良好的界面相容性，有效抑制复合薄膜电学和力学性能劣化，呈现优异的介电性能、击穿性能、独特的抗拉伸以及动态热机械性能。 E-MoS2纳米片具有更大晶格间距，沿c轴(002)晶面层间距扩大至0.98nm，横向尺寸约为1.5μm，厚度约为2nm，仅由2个单层构成，与二维BN形成“层状分离结构”。采用聚合物原位插层策略制备新型PI/BN-E-MoS2复合薄膜，极大改善填料在PI基体中分散性。SAXS结果表明，随着掺杂组分增加，PI/BN-E-MoS2复合薄膜相间界面层厚度和质量分形维数逐渐增大，结构更加致密。BN-E-MoS2填料显著增强复合薄膜内部界面极化，减小键合区对偶极取向极化的限制作用，保持较大介电常数，同时抑制介电损耗。当掺杂组分为0.25wt％时，PI/BN-E-MoS2复合薄膜击穿场强为196kV/mm;当掺杂组分为3wt％时，热导率为0.22Wm-1K-1。BN-E-MoS2杂化填料在复合薄膜内部形成更多、更致密导热通路，延长声子平均自由程，减少界面处声子散射，提高复合薄膜热导率。 采用准原位技术和微观尺度下陷阱能级分布、空间电荷注入与复合测试，结合有限元击穿模拟仿真，以多核模型、电双层模型、能量势垒和界面陷阱理论为基础，从不同角度深入分析长时击穿(电晕老化)和短时击穿失效行为，系统地研究多维杂化填料体系增强复合薄膜耐电特性机理，分别建立耐电晕老化模型、短时击穿机理模型以及双极性电荷传输模型，着重阐明二维BN纳米片在多维杂化填料体系调控复合薄膜耐电特性中起到的关键作用，为拓展二维材料在高绝缘领域应用提供理论依据。
氮化硼纳米片;复合材料;多维杂化填料;微观结构;聚酰亚胺
哈尔滨理工大学
博士
材料物理与化学
殷景华
2021
中文
TB332
2021-09-06（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）