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News 内含氟离子POSS:一种用于制备高介电常数、低介电损耗聚合物纳米复合材料的新型填料

内含氟离子POSS:一种用于制备高介电常数、低介电损耗聚合物纳米复合材料的新型填料

日期: 2020-05-08
浏览次数: 36

内含氟离子POSS:一种用于制备高介电常数、低介电损耗聚合物纳米复合材料的新型填料

Fluoride ion encapsulated polyhedraloligomeric silsesquioxane: A novel filler for polymer nanocomposites withenhanced dielectric constant and reduced dielectric loss

Yi-YiDeng, Dai-LinZhou, DiHan*, QinZhang, FengChen, QiangFu*

 

聚合物基介电材料具有击穿强度高、加工性良好、成本低等特点,近年来引起了人们广泛的关注。然而相比于陶瓷材料,聚合物材料的介电常数相对较低,这极大的限制了聚合物作为介电材料的进一步应用。尽管在聚合物基体中加入高介电常数的陶瓷填料可以提高聚合物的介电常数,然而无机填料与聚合物之间的相容性差,分散困难且易于团聚,导致介电常数提高的同时也伴随着击穿强度的急剧下降以及介电损耗的显著升高。最近,我们发现一种外围络合着四丁基铵阳离子、内部包含着氟离子POSS(简称POSS@F-,如图1)在提高聚苯醚(简称PPO)的介电常数的同时能抑制其介电损的增加,且制备得到的复合材料能维持较高的击穿强度。这主要是由于POSS@F-具有较大的偶极矩,且POSS的硅氧烷笼子将正(四丁基铵)、负(氟离子)分隔开来并锁住,抑制了离子的迁移。实验结果表明(图2A),相比于PPO纯样,加入20%质量分数的PPO/Ph-POSS@F-复合材料的介电常数从2.81提升到了5.31,材料的介电损耗仍然维持在极低值(0.00111 kHz)。相比之下,普通的八苯基POSS(简称Ph-POSS)则会降低PPO的介电常数(图2B)。同时,在Ph-POSS@F-最优含量下,PPO的击穿强度从333.5 KV/mm提升至394.0 KV/mm(图3),材料的储能密度也从1.35 J/cm3显著提升至2.7 J/cm3。此外,由于PPO基体以及POSS@F-优异的热性能,PPO/Ph-POSS@F-复合材料还表现出稳定的高温介电性能(图4)以及优越尺寸稳定性(图5)。本工作不仅为高性能聚合物电介质的制备提供了新的思路,也为POSS纳米粒子的应用提供了新的机遇。


 内含氟离子POSS:一种用于制备高介电常数、低介电损耗聚合物纳米复合材料的新型填料

Figure 1. Chemical structures and illustration of the PPO/Ph-POSS@F− and PPO/Ph-POSS composites.

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Figure 2. The effect of fillercontent on εr and tanδ PPO at ambienttemperature. (A) PPO/Ph-POSS@F-, (B) PPO/Ph-POSS, (C) the summarized εr and tanδ at 103Hz.

 内含氟离子POSS:一种用于制备高介电常数、低介电损耗聚合物纳米复合材料的新型填料

Figure3. The Weibull plots of breakdown strength of pristinePPO, PF1, PF5, PF10, PF15 and PF20 at (A) 25 °C, (B) 150 °C, (C) Weibull breakdown strength of the composites as a function of temperature.

 内含氟离子POSS:一种用于制备高介电常数、低介电损耗聚合物纳米复合材料的新型填料

Figure 4. (A) The εrand tanδ of PF20 atdifferent temperatures, (B) effect of temperature on εr and tanδ of pristine PPO,PF5, PF10 and PF20 at 103 Hz.

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Figure 5.(A) TGA and (B) DSC curves of PF0-20. (C) Theaverage CTEs of PF0-20 in the range of 50–185 °C.

 

CompositesScience and Technology

DOI: 10.1016/j.compscitech.2020.108035

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2020.108035

 


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