[发明专利]具有低频散负介电性能的复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有低频散负介电性能的复合材料及其制备方法，属于负介电常数的超材料领域。上述具有低频散负介电性能的复合材料，由以下重量份的组分组成：碳纤维18‑23份、绝缘包覆铁粉5‑12份、环氧树脂余量。本发明提供了具有低频散负介电性能的复合材料及其制备方法，将碳纤维材料均匀分散于环氧树脂基体中，再加入经过绝缘包覆的铁颗粒，得到具有低频散的负介电性能碳纤维‑铁颗粒‑环氧树脂三元复合材料；本发明制备成本较低，工艺稳定，操作处理简单，性能调控区间大。

技术领域

本发明属于负介电常数的超材料领域，特别涉及具有低频散负介电性能的复合材料及其制备方法。

背景技术

介电常数是材料的基本电学参数，表征材料在外电场下产生极化电荷的能力。一般而言，介电常数为正值，且为频率的函数。在不同频率范围和不同应用领域，对介电常数的要求不同。当用于kHz电容器时，要求材料具有高的介电常数和低的介电损耗；当用作GHz透波材料时，低的介电常数和低的介电损耗利于电磁波的透过；当用作吸波材料时，材料需有低的介电常数以满足阻抗匹配，高的介电损耗实现强吸收。因此，对材料介电常数的调控在电子电工领域均具有重要应用意义。

当介电常数为负值时，此类材料称为负介电材料，由其导致的新颖电磁性能引起了国内外研究者的极大关注。金属等离子体振荡产生负介电可用作电磁屏蔽，铁电材料的负电容效应可促进晶体管的降损和小型化设计，负介电金属颗粒阵列大大提升了表面等离激元的传播距离。当负介电结构与负磁导率结构以某种排列方式复合时，可实现微波段的完美隐身；而基于负介电材料和负磁导率材料的高分辨成像技术可以打破传统透镜成像的衍射极限，极大地提高了分辨率。因此，为了推动新型电子器件的开发，负介电材料的构建和性能控制变得尤为重要。

负介电材料分为阵列型和本征型两种。阵列型研究较多，其实现形式主要以微加工的方法将功能单元以某种规律进行排列，以谐振的方式精确控制电磁波的传播路径。阵列型因不关心其内部材料的组成和微观结构，而是改变功能单元的宏观几何形状、大小和排列方式实现性能的可控性，所以也称为超材料或者超构介质。本征型的研究较晚，是通过控制组成材料的化学成分、微观结构等材料的本征性质调控负介电常数，称为本征负介电材料。与阵列型相比，本征型最大的优势是成本低，适于产业化。

本征型负介电材料(下文所提负介电材料皆为本征型)为典型的导体-绝缘体异质复合材料。研究发现，通过在绝缘陶瓷或聚合物基体中添加金属、碳纳米管和石墨烯等导电相，当导电相在基体中连接成导电网络时，可实现负介电性能。且通过控制填料的组成、粒径、形状可对负介电常数的大小和频散进行调控。理论研究表明，负介电常数源于等离子体振荡，且负介电的频散关系满足Drude模型。然而，Drude型负介电在MHz频段和kHz频段介电损耗高且频散严重。虽然介电损耗在实际应用中可通过引入增益补偿，但高频散为负介电材料的特有属性，难以通过辅助配件改善，这严重限制了负介电材料在更宽频段内的使用，尤其是涉及吸波等领域的阻抗匹配问题。因此，制备出具有低频散特性的负介电材料，对于拓展负介电应用频段和领域具有重要意义。

实验研究表明，导电相连通时可以贡献负介电性能，而当导电相以孤立状态存在时可以提高正介电性质；当将孤立的导电相添加到负介电材料中时，负介电的频散特性可得到调节。无论导电相是连通状态还是孤立状态，其自身均存在分布电容。

发明内容

为解决现有技术中负介电材料频散严重、无法满足宽频的阻抗匹配等问题，本发明提供一种在100MHz频段内具有宽频低频散负介电性能的复合材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

本发明提一种具有低频散负介电性能的复合材料，由以下体积份的组分组成：

碳纤维 18-23份

绝缘包覆铁粉 5-12份

环氧树脂 余量。