[发明专利]一种聚酰亚胺/钛酸铜钙包覆银纳米颗粒复合材料的制备方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种高介电、低损耗聚酰亚胺/钛酸铜钙（CCTO）包覆银(Ag)核壳结构纳米颗粒复合材料的制备方法，属于电子材料技术领域。

背景技术

聚合物由于其优良的电、热和延展性能在电容器、集成电路以及高电压绝缘领域有着广泛的应用，然而介电常数低的特性限制了其进一步的发展。随着当今电子领域器件集成化和微型化的不断发展，需要提供同时具备高介电常数和低介质损耗的新材料来满足要求。         

为了获得所需的高性能材料，目前普遍采用方法是对聚合物材料进行掺杂改性，常用的的掺杂方法主要有两种。一种是以聚合物为基底，将具有高介电常数的铁电陶瓷颗粒与其复合，来制备聚合物/铁电陶瓷复合材料。但该方法存在一些问题，一是合成的复合材料其介电常数不够高（通常小于50），达不到实际应用的需求。复合材料的介电常数会随着陶瓷颗粒的掺杂量的增加而增加，但是过高的掺杂量又会导致复合材料柔韧性和其他机械性能的降低,同时也带来了介质损耗的增加。为了在较低的掺杂量下获得各方面性能优良的复合材料，需要寻找具有更高介电常数的材料；二是铁电材料具有电致伸缩效应，长时间的使用会带来复合材料疲劳，降低器件的寿命； 三是所用陶瓷大都是含铅的一类材料，这不可避免的给环境带来了污染，因此需要寻找无铅的高介电常数材料来作为替代；四是所用陶瓷颗粒大小大都在微米级别，与聚合物大分子复合时存在插层困难的问题，使得复合体系中两相的相互作用区域小，相容性差，从根本上导致了材料的介电性能提升空间有限。

另外一种方法是掺入高电导率的纳米材料（金属纳米颗粒或者纳米碳纤维等）来制备纳米电介质复合材料，该复合材料由于其优良的性能，在近十年来得到了广泛的关注也取得了很多成果，但是存在的问题是由于逾渗理论的影响，材料在逾渗阈值附近会发生从绝缘体到导体的相变，从而导致其介质损耗大幅度的增加，给实际应用带来了困难。

因而提高纳米电介质的最主要的问题存在于寻找合适的方法来降低材料的介质损耗，有研究表明复合材料的介质损耗较高，最主要的原因在于聚合物和无机物颗粒两相较难复合，同时两相的介电常数值差异较大导致了复合材料内部有机相承受较大的场强，限制了介电常数的进一步提高，因此需要寻找新的方法来解决这一问题。对无机颗粒表面进行处理再与有机物复合制备纳米电介质很好的解决了这一问题，无机颗粒的表面处理主要分为增加极性基团，有机物包覆，无机颗粒包覆等等这几种方法。

无铅环保材料钛酸铜钙（CCTO）由于其反常的巨介电常数和低损耗，在近几年来得到越来越多的关注，其制备方法包括传统的固相反应和湿化学方法。聚酰亚胺是综合性能最佳的有机高分子材料之一，耐高温达 400℃以上 ，长期使用温度范围－200℃～300℃，特别适合在苛刻的环境中工作使用，在工程领域，微电子领域具有广泛的应用。目前对于聚酰亚胺与钛酸铜钙（CCTO）复合材料的报道很少，已知的报道为聚酰亚胺/微米CCTO复合材料，其在较高的掺杂比例（40vol% CCTO）下介电常数仍然很低（49）且介电损耗较高（0.24），所用微米级别的CCTO其制备方法采用传统的固相反应法，该方法需要较高的温度（大于1000℃）且耗时较长（大于24小时），另外所制备出的微米CCTO其分散性较差，大分子插层较为困难。

发明内容

本发明针对现有技术中复合材料两相相容性差和介电常数低以及介电损耗高的问题，提供一种具有高介电常数和低介质损耗的聚酰亚胺/ CCTO@Ag纳米颗粒复合材料的制备方法。CCTO@Ag纳米颗粒由于表面银颗粒高的导电性以及较低的介电常数，可以有效地降低逾渗阈值，解决聚合物与大尺寸颗粒复合时存在的相容性差和大分子插层困难的问题，提高聚酰亚胺与CCTO@Ag纳米颗粒之间的相容性，促进聚酰亚胺大分子与CCTO@Ag纳米颗粒的结合，从而获得具备优良性能的聚酰亚胺/CCTO@Ag纳米颗粒复合材料。

本发明首先采用湿化学法和晶种方法来制备分散性好的CCTO@Ag纳米颗粒， 然后利用CCTO@Ag纳米颗粒对聚酰亚胺薄膜进行掺杂，来提高其介电常数。 

本发明提供一种聚酰亚胺/CCTO@Ag纳米颗粒复合材料的制备方法，如图1所示，该方法通过以下步骤完成：

（1）用湿化学方法制备CCTO纳米颗粒，并在CCTO颗粒外面包覆银纳米颗粒，形成CCTO@Ag核壳结构的纳米颗粒；