电气工程与电子技术学报

纳米结构控制的聚合物-陶瓷复合材料及其界面性能改善

道格拉斯·B·克里西

具有精心设计的界面结构的聚合物陶瓷纳米复合材料可提供高能量密度（~高达 22 J/cm ³），这是下一代用于大规模储能的介电电容器所需的。我们使用大规模光子固化方法，从硫醇和烯烃单体混合物中制备了硫醇-烯聚合物基质。季戊四醇四（3-巯基丙酸酯）、2,4,6 三烯丙基氧基-1,3,5- 三嗪和 1,3- 二异丙烯基苯的单体发生 点击反应，并使用自由基介导过程进行聚合。当表面工程化的钛酸钡纳米颗粒（~100 纳米）加入单体混合物中时，这些颗粒也会与单体点击形成纳米复合材料。

 

钛酸钡纳米粒子采用三步工艺进行表面工程：羟基化、硅烷化和单体接枝。使用烯烃端硅烷（3-丙烯氧基丙基三甲氧基硅烷）进行硅烷化，并从烯烃端接枝硫醇单体。纳米复合材料制备过程中的自由基是通过氙气闪光灯的强脉冲光激活硫醇单体形成的，从而消除了最后一步对光引发剂的需求。此外，本研究中的材料组成设计为与硫醇和烯烃官能端的化学计量比相匹配。在界面处形成的共价键和由硅烷和接枝单体的共同作用引起的分散性改善使纳米复合材料具有更好的性能。即使在低纳米粒子负载下，所得纳米复合材料的能量密度也高达 22 J/cm ³  ，而介电损耗保持在 0.2 以下。在纳米级上调整界面结构以获得所需特性是一项艰巨的任务。当需要同时进行调整并使用经济有效的方法大规模制备纳米复合材料时，这项任务可能更具挑战性。本研究采用的光子固化工艺是一种快速、高通量且适合卷对卷生产的方法。本研究为生产高能量密度纳米复合材料的工业规模方法提供了一种简便的途径。