[发明专利]一种用于介电材料领域的核壳结构纳米碳颗粒的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可应用于介电复合材料领域的具有核壳结构的纳米碳颗粒材料。 

背景技术

随着电子及电机行业的发展，人们对高性能介电材料的需求越来越迫切。传统的介电材料如陶瓷材料存在加工工艺复杂、成本高、导热性差、力学性能差等缺点，有机高分子介电材料因其成本低廉、加工简单、力学性能优异、耐腐蚀性好而被广泛研究。与传统的介电材料相比，有机高分子材料本身的介电常数较低，这大大限制了其在介电领域的应用。大量的研究表明，通过在有机高分子材料中添加特定的填料可以显著提高高分子材料的介电性能。 

以应用较为普遍的有机高分子材料聚偏二氟乙烯（PVDF）为例，其本身的介电常数为5-7（1kHz），通过加入各种填料，可以显著提高其介电性能。在PVDF中加入高介电常数的陶瓷颗粒（如钛酸钡），可以将复合材料的介电常数提升至30（J.Eur.Ceram.Soc.2008,28,117）。在高聚物中加入陶瓷颗粒可以获得高介电常数、低损耗的介电材料，然而高体积分数（约50%）陶瓷颗粒的添加会明显降低高聚物材料本身的力学性质。某些陶瓷颗粒的添加，在获得高介电复合材料的同时，可能会对环境造成污染（Adv.Mater.2007,19,1369）。 

在高聚物基体中加入导电材料（导电颗粒或导电纤维）可以大大提高本身的介电常数，相应机理可以用渗流阈值理论来解释。在复合材料中，随着掺入的导电粒子体积分数的增大，粒子之间集结的机会也相应增大，相应集结的簇也增多，当粒子集结形成特定的分形结构时，体系就会发生高介电性转变，介电常数趋于很大值，此时导电粒子的加入量，即为渗流阈值（Pro.Mat.Sci.1993,37,116）。各种金属粉末（如铝粉、钛粉等）以及碳材料（如炭黑、碳纤维、碳纳米管等）均是常用的导电添加剂。其中碳材料作为添加剂具有导电性好、渗流阈值低、密度小、界面结合性好等优点而被广泛研究及使用。 

通过将纳米碳纤维添加到PVDF中，人们得到了高介电常数低损耗的复合材料，其介电常数从10提高至100（1千赫兹）（Nanotechnology2010,21,305702）。通过溶液混合法将石墨纳米片材料与PVDF混合得到的复合材料，在添加剂质量分数为2.5%时，介电常数达到173（1千赫兹），介电损耗为0.65（Synthetic Metals,2010,160,1912）。将热膨胀石墨作为添加剂与PVDF混合制备的复合材料，在体积分数为1.01%时，介电常数达到200（1千赫兹）（Adv.Mater.2009,12,710）。研究发现，碳纳米管/PVDF复合材料在添加剂体积分数为8%时，介电常数达到1000（1千赫兹），介电损耗为2（Adv.Mater.2007,19,852）。大量的研究表明，各种纳米碳材料添加剂的加入，一方面可以有效提高高分子材料的介电性能，同时由于所需的 添加剂量较少，远远低于陶瓷、半导体等材料，其添加不仅不会影响高聚物自身性能，某些性能甚至得到增强，如力学、热学性能等。 

由于碳纳米管、石墨烯等碳材料的制备工艺复杂，成本高昂，其填充的高聚物复合材料目前仍难以在实际生产中得到广泛的应用。与碳纳米管、石墨烯相比，纳米碳颗粒材料比表面积相对较小，但由于其制备工艺简单，成本低廉，在介电复合材料领域具有很大的应用前景。由于纳米碳颗粒本身易发生团聚，如何有效防止其自身团聚，制备出纳米碳颗粒均匀分散的复合材料是亟待解决的问题。 

我们首先以纳米碳粉为添加剂制备了纳米碳粉/PVDF复合材料，在导电阈值(8.5wt%)附近得到的介电复合材料，介电常数为242（1kHz），介电损耗为2.05。通过对纳米碳粉进行化学修饰，形成核壳状结构后，复合材料的导电阈值明显增加(11wt%)，在不增加介电损耗的前提下（介电损耗为1.41），在导电阈值附近复合材料的介电常数增加至1540（1千赫兹）。该处理工艺过程简单，成本较低，无环境污染，能显著提高纳米碳颗粒/高分子复合材料的导电阈值，从而制备出高性能的介电复合材料。 

发明内容

本发明的目的是通过化学修饰的方法得到一种具有核壳结构的纳米碳颗粒材料，其作为添加剂与高聚物混合时，复合材料的导电阈值明显提高，从而获得具有高介电性能的复合材料。