摘要
具有高介电常数的导体/聚合物基复合材料在尖端领域中的巨大应用，使其获得了广泛的关注，但其普遍存在的高介电损耗成为阻碍其应用的瓶颈。近年来，科研工作者们开始设计新颖的空间结构来获得高介电常数和低介电损耗复合材料，本文即是围绕这个课题展开研究的。 首先，我们以聚偏二氟乙烯（PVDF）、酸化碳纳米管（eCNT）和氰酸酯（CE）作为基本组成，设计制备了不对称双层材料（PVDF-eCNT/CE），其中一层为PVDF绝缘薄膜，另一层为eCNT/CE二元复合材料。研究了不同厚度及含量（f）下的PVDF-eCNT/CE复合材料的导电性和介电性能。研究表明，eCNT/CE复合材料的渗流阈值（fc）为1.6wt%；当f<fc时，具有相同f的PVDF-eCNT/CE与eCNT/CE复合材料具有相近的导电性和介电性能，即复合材料对宏观结构不敏感；当f>fc时，PVDF膜对PVDF-eCNT/CE复合材料的电性能和介电性能有显著影响，介电常数随着PVDF膜厚的增加先增加后减小；而介电损耗保持在较低的水平。如f=1.7 wt%时，PVDF膜厚为5μm的PVDF-eCNT1.7/CE复合材料具有最大的介电常数（1699，1Hz），而介电损耗为5.25，分别是eCNT1.7/CE复合材料的10和2.3×10-2倍。对PVDF-eCNT1.7/CE和eCNT1.7/CE复合材料进行了等效电路模拟，讨论了介电性能的本质。研究结果表明，对于特殊宏观结构的复合材料，其介电性能与界面极化紧密相关，电容和电阻值并不能准确表达复合材料的介电性能。PVDF-eCNT1.7/CE复合材料的介电性能是由PVDF与eCNT/CE层之间的空间电荷极化以及PVDF自身的介电性能共同作用的结果。 其次，为了探讨不同微观结构的PVDF对PVDF-eCNT/CE复合材料的介电性能的影响，我们制备了不同热处理温度下的PVDF6-eCNT1.7/CE复合材料。研究结果表明，PVDF6-eCNT1.7/CE复合材料的介电常数随热处理温度的升高而降低，20℃时介电常数最高为1564，温度为100℃时介电常数最低为268（1Hz），而20℃下的复合材料比其他热处理温度下的介电损耗高，这是由于不同热处理温度下PVDF的相结构差异引起的界面极化差异导致的。 最后，为了进一步探讨不同宏观结构对复合材料介电性能的影响，我们制备了0-1-0型三层结构PVDF-eCNT/CE-PVDF复合材料。研究发现，对于总厚度相同的复合材料，PVDF-eCNT/CE-PVDF复合材料的介电常数和介电损耗均低于PVDF-eCNT/CE复合材料。由此可以说明，三层结构不仅没有加强PVDF与eCNT/CE层间的界面极化，反而削弱了界面极化，进一步验证了特殊宏观结构对复合材料的介电性能影响很大。
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