介电聚酰亚胺薄膜研究进展

聚酰亚胺电介质是电气工程、电子信息技术、航空航天等领域的一类重要的绝缘材料,然而在实际应用中依然存在材料设计制备、结构-性能关系与性能调控等方面的问题尚未解决。多重应用场景下介电性能的不匹配限制了聚酰亚胺的创新式发展,成为制约电工、电子信息航空航天领域发展的重要问题。本文基于影响电介质薄膜电-热特性的基本原理,从分子结构改性和复合结构优化等方面详细综述了调控聚酰亚胺高/低介电特性、热稳定性和绝缘强度等综合性能的研究方法和内部机理,总结了当前聚酰亚胺薄膜在能源系统和电子器件中残存的问题及面临的挑战,并为聚酰亚胺薄膜未来的发展及应用提供有意义的指导。     

酞菁改性聚二乙烯基二茂铁的微波介电性能研究

通过在聚1,1′-二乙烯基二茂铁侧链引入酞菁铁对其化学改性,以GPC、IR、TGA、XPS及在1~12GHz频段的介电参数(ε,′ε″)对这种新型的二茂铁高分子进行表征,分析了该聚合物微波介电性能与结构的关系,同时掺杂碳纤维调节其电磁参数,发现改性后的聚酞菁二茂铁其介电性能有明显的提高。     

钕掺杂对（Ba0.6Sr0．4）TiO3／MgO陶瓷结构和性能的影响

采用X射线衍射、扫描电镜及介电性能测试,研究了Nd掺杂对42%(Ba0.6Sr0.4)TiO3/58%MgO(质量分数)复相陶瓷微结构和低频介电性能的影响.结果表明,添加O%～0.6%Nd203的材料均由(Ba,Sr)TiO3和Mgo两相组成,不含其他物相.随着Nd2O3掺杂量的增加,材料的晶粒尺寸变大,晶粒结合更加紧密.适量的Nd2O3掺杂可以获得适中的介电常数和较高的介电可调度,并使材料的介电损耗显著改善.0.4%(质量分数)的Nd2O3掺杂使材料的居里温度从-24.6℃迅速降低至-79.2℃,并改善了材料的温度稳定性.这时材料具有很好的介电性能,室温下(约25℃),100 kHz时介电常数为103.0,介电损耗为0.0005,2V·μm-1偏置电场下样品的介电可调度为9.15%(10 kHz),能够满足移相器的应用要求.     

光谱法研究钙离子对丝素蛋白溶解过程中结构的影响

为研究丝素蛋白在氯化钙溶液溶解过程中结构的阶段性变化特征,通过荧光光谱、紫外可见吸收光谱和拉曼光谱技术探讨了不同溶解时间下钙离子对丝素蛋白结构的影响情况。结果表明,在90℃左右,丝素蛋白与氯化钙溶液(Ca Cl2∶H2O=111∶180,质量比)作用0~30 min的时间段内,随着溶解时间的延长,钙离子逐渐渗透到丝素蛋白分子中,与丝氨酸(Ser)、酪氨酸(Tyr)侧链羟基进行配位而形成螯合物,丝素蛋白逐渐溶胀,分子结构变得松弛,埋藏在非结晶区内的色氨酸(Trp)和Tyr也逐渐暴露出来,分子构象由β-折叠向α-螺旋或无规线团转变。此外,外源性荧光探针(ANS)的结果表明,随着溶解时间的延长,丝素蛋白中的疏水性基团逐渐暴露于溶液中。电镜结果表明,丝素蛋白在氯化钙溶液的作用下逐渐由带状转变为片层状,最终呈球状结构。这些结果对调控丝素蛋白在氯化钙溶液中的溶解过程有着较为重要的现实意义。     

高耐热、低介电常数含氟聚酰亚胺材料的合成与性能研究

合成了一系列新型含氟耐高温、低介电常数聚酰亚胺 (PI)材料 ,并对其进行了热性能、电性能等方面的测试 .结果表明 ,这类分子结构中含吡啶环单元的材料可保持PI固有的耐热性能 ,其在氮气下的热分解温度为 5 4 5～ 6 0 1℃ ;而侧链的双三氟甲基取代结构一方面使分子具有较高的氟含量 ,另一方面增大了分子的自由体积 ,这两方面的共同作用使得这类材料具有优良的介电性能 ,其介电常数为 2 86～ 2 91;击穿电压为15 0 4～ 197 3kV mm .     

丝素蛋白与聚氨酯共混膜的制备及结构和性能

采用溶液共混法制备了一系列不同组成的聚氨酯/丝素共混膜.利用红外光谱和广角X-射线衍射表征聚氨酯/丝素共混膜的结构;扫描电镜观察共混膜的断面;紫外-可见光谱测定共混膜的透光性;运用拉伸实验研究不同配比聚氨酯/丝素共混膜的力学性能.结果表明聚氨酯和丝素蛋白分子间存在较强的氢键相互作用.当丝素含量低于3 wt%时,试膜的断面较光滑,丝素蛋白分子进入聚氨酯网状结构中,破坏了聚氨酯分子内硬段和软段间的氢键作用.随着丝素含量进一步增大,丝素小颗粒均匀分散在聚氨酯基体中,二者之间具有较好的相容性.本实验所采用的制膜条件有利于促进丝素蛋白大分子的结晶.丝素蛋白对聚氨酯具有良好的增强效果,当丝素含量从0到5.6 wt%变化时,共混试片的断裂强度由0.56 MPa增大到4.60 MPa,杨氏模量由0.14 MPa增大到1.71 MPa,断裂伸长率从1065%下降到988%.丝素蛋白增强聚氨酯共混膜的强度显著增加,但弹性基本保持不变.     

颗粒填充聚合物高介电复合材料

颗粒填充聚合物高介电复合材料兼具聚合物材料的易加工、低损耗、耐击穿性能和陶瓷材料的高介电等性能,还可使金属材料具备介电性能,可以广泛应用于电气、电子行业。本文综述了非均匀体系介电理论研究的历史背景,以及陶瓷、金属颗粒填充聚合物高介电复合材料的组成、制备及介电性能的影响因素,并着重讨论了界面相在复合材料研究中的重要性,最后展望了发展方向。     

BaTiO_3包覆粉煤灰漂珠/聚苯胺复合材料的制备及电流变性能

首先利用原位化学氧化聚合法将聚苯胺包覆在粉煤灰漂珠表面(FAFB/PAn),再利用低温溶胶凝胶-水热法制备BaTiO_3包覆FAFB/PAn的复合材料(FAFB/PAn/BaTiO_3),形成内核为空心漂珠、外壳依次为导电层、绝缘层的核/壳结构.采用FTIR、XRD、SEM、数字式四探针以及LCR介电谱仪对FAFB/PAn/BaTiO_3复合材料的结构与性能进行分析;以FAFB/PAn/BaTiO_3为分散相制备的电流变液,对其悬浮性及外加电场下的剪切应力进行测试.FTIR和XRD结果证明了利用本文的实验方法可成功将PAn和BaTiO_3引入到FAFB表面.电导率测试结果表明,复合材料电导率为7.8×10~(-4)S·cm~(-1),相对BaTiO_3提高了近2个数量级.在1~2000 k Hz交变电场频率测试范围内,FAFB/PAn/BaTiO_3具有相对较好的介电性能:当f=1 k Hz时εr最大为598,随电场频率的增加介电常数逐渐减小,对应的介电损耗tanδ最大为1.14,且随电场频率的增加介电损耗逐渐减小,当f=200 k Hz时tanδ=0.75,后趋于平稳.比较了7天的悬浮稳定性发现,FAFB/PAn稳定性最好,悬浮率可达88%,而包覆BaTiO_3后与纯BaTiO_3相当,仅为60%.在电场作用下FAFB/PAn/BaTiO_3表现出较明显的电流变性能,即当E=4.0 k V/mm时,剪切应力达631 Pa,且具有较好的抗击穿能力.     

介电弹性体致动器的结构设计及应用

介电弹性体作为一种新型的电活性高分子聚合物,当受到电场的激励时会产生变形,撤销电场后能够恢复原状,具有将电能直接转换为机械能的特点。通过将其设计成具有不同结构的致动器,能够提高变形能力,并且满足不同的应用需求。本文介绍了介电弹性体致动器的致动机理,阐明了它们是能够以直线方式产生运动的线性致动器,在此基础上可设计出不同结构的致动器,主要归纳了各种介电弹性体致动器,从它们的性能特征、加工技术和潜在应用等方面进行了讨论。     

钛酸铅/聚[偏氟乙烯(70)-三氟乙烯(30)]复合物的非线性介电性质

用自建的非线性介电测试装置研究了陶瓷相被极化 (B1 )以及陶瓷相和共聚物相都被极化 (B2 )的钛酸铅 /聚 [偏氟乙烯 ( 70 ) 三氟乙烯 ( 3 0 ) ](PT/P[VDF( 70 ) TrFE( 3 0 ) ]) 0 3型铁电复合物厚片在不同测试场强下的非线性介电系数 .对于PT含量 >0 3的复合物 ,介电系数ε1随场强的升高明显增大 .在 <0 1时 ,可用Maxwell Garnett方程拟合实验结果 .Bruggeman方程适合于低电场 ( <1MV/m)下复合物介电系数的预测 .通过Lz 的变化 ,用Yamada模型可拟合不同场强下复合物介电系数随的变化关系 .二阶非线性介电系数ε2 随的升高而增大 ,B2的ε2 大于B1 ,说明B2具有较高的剩余极化 .三阶非线性介电系数ε3 随场强的升高而减小 ,且高值的复合物具有较大的ε3 .两相都被极化试样的ε3 小于仅陶瓷相被极化的试样 .     

光谱法研究pH值对再生桑蚕丝素蛋白在水溶液中结构的影响

通过一系列光谱实验手段研究了再生桑蚕(Bombyx mori)丝素蛋白在水溶液中的构象转变情况. 由于丝素蛋白含有较多带电荷的氨基酸残基, 因此环境pH值对丝素蛋白的结构有着一定的影响: 酸性越强, 丝素蛋白越容易发生从无规线团到β-折叠结构转变; 相对而言, 碱性条件则更有利于丝素蛋白以无规线团结构稳定存在. 特别是当pH在4附近时, 丝素蛋白的无规结构最易发生改变; 而pH为6左右时, 丝素蛋白的结构则较为稳定. 这种变化趋势与沿着成熟蚕腺体中丝素蛋白所处的环境及其状态相当吻合, 由此表明pH值的调节是蚕在生物体中控制其丝素蛋白状态的一个相当重要的手段. 这一结果对人工纺制动物丝条件的调控有着极其重要的现实意义. 同时我们还发现, 在相当宽的pH范围内, 丝素蛋白的二级结构存在着中间体形态, 表明丝素蛋白的变性过程不符合简单的二态机制.     

柔性高储能P(VDF-CTFE)/PA11-g-GMA聚合膜的制备与性能研究

采用反应增容及等温拉伸技术制备了柔性高储能P(VDF-CTFE)/PA11-g-GMA聚合物薄膜.通过XRD、SEM以及电性能测试分析了聚合物薄膜的微观结构与介电性能.结果表明,经GMA接枝改性后的P(VDF-CTFE)/PA11-g-GMA聚合物薄膜两相相容性增加;经外力拉伸后,P(VDF-CTFE)/PA11-g-GMA的分子链在外力作用下被强制解缠,极性基团在外场作用下取向程度增大,增加了结晶结构中β相的含量,有效提高了s-P(VDF-CTFE)/PA11-g-GMA聚合膜的介电性能和储能密度;同时,由于外力协同分子链的运动,聚合物链段运动能力也增大,经过增容改性的聚合物薄膜介电损耗下降.因此制备了一类高储能、低损耗的柔性聚合物薄膜,耐压强度达到275 MV/m,储能密度可达8.09 J/cm3,为轻质、柔性、小型功能器件的发展奠定了基础.     

多场耦合作用下光热敏感介电凝胶的力电耦合变形行为

介电弹性体在电场作用下将产生形变,为获得高的变形能,需对介电弹性体施以较强的电场,而强电场的施加可能诱发力电耦合失稳导致失效。针对光热敏感介电凝胶力电耦合变形行为,基于热力学和连续介质力学理论建立力电耦合变形模型,分析了光强、温度以及预拉伸对光热敏感介电凝胶力电耦合变形行为的影响,结果表明:无预拉伸时,随着电场强度的增大,光热敏感介电凝胶最终发生力电失稳,光强越小、温度越低发生力电失稳时的临界电压越高;预拉伸可显著改善力电稳定性,施加等双轴预拉伸后,凝胶厚度方向的伸长率显著变小,电场强度随电位移增大而线性增大,未出现力电失稳现象。     

天然蚕丝与丝素蛋白多孔膜的生物降解性研究

较为详细地研究了经不同条件处理的丝素蛋白多孔膜材料和天然蚕丝在蛋白酶作用下的降解性能以及降解前后材料的微观形貌和结构的变化. 结果表明, 丝素蛋白材料中不同结构(构象)的含量是影响其降解速度的一个重要因素. 对于由再生丝素溶液所制备的材料, 调控其中Silk II结构(β-折叠构象)的比例可能是控制丝素蛋白材料降解速度的有效途径.     

天然蚕丝丝素蛋白的乳化活性

采用不同油相制备了系列丝素蛋白乳液, 研究了丝素蛋白浓度、 油相体积分数和油相极性对丝素蛋白的乳化活性指数、 丝素蛋白乳液的稳定性和类型及乳液液滴的微观形态、 粒径与zeta电位的影响, 探讨了丝素蛋白的乳化活性和乳液稳定机制. 结果表明, 丝素蛋白具有两亲性和表面活性, 可在油水界面富集并形成稳定的黏弹性保护膜; 丝素蛋白的乳化活性随其浓度的增大而减小, 随油相体积分数的增大而增大; 丝素蛋白浓度和油相体积分数的增加可提高稳定乳液体积分数.     

半花菁染料LB膜的铁电性与厚度关系

报道了半花菁染料LB膜铁电性与膜厚度的依赖性.根据所测得的电滞回线发现,矫顽电场(Ec)随薄膜厚度(以薄膜的层数N表示)的增加而减少,在薄膜厚度为30～200 nm的范围内,它们之间的关系可用幂指数公式表示为Ec∝N－4/3,这种关系与其它传统的无机铁电材料完全相同.通过样品介电和铁电性能的测量,以存贮元件的物理参量－优值(Ps/εrEc)作为参比标准,可得铁电半花菁染料LB膜的最佳厚度为60 nm,且其优值的数值与偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物P(VdF-TrFE) (n :n=70:30)的优值数值处在同一数量级上.     

环氧化合物与丝素蛋白化学交联凝胶的结构

对丝素蛋白水溶液与环氧化合物交联剂(PGDE)反应制备的丝素凝胶(CFG)的结构进行了研究.用位相差显微镜观察到CFG具有整体均一的形态结构,而未经PGDE交联的纯丝素凝胶(FG)为颗粒聚集结构.CFG的红外吸收光谱在1104cm^-1处出现PGDE分子中烷醚的吸收峰,而没有出现PGDE两端环醚的特征吸收峰,显示PGDE已经开环交联在丝素蛋白上.氨基酸分析结果显示,酪氨酸、组氨酸和赖氨酸的含量与反应前相比明显减少,PGDE在这些位点与丝素蛋白发生了交联反应.固体¹³CNMR谱观察到酪氨酸羟苯基上的碳发生了化学位移,进一步证实了酪氨酸残基与PGDE发生了化学交联.研究表明,PGDE与丝素蛋白交联形成了分子间交联网络结构,从而使CFG成为较为匀质的凝胶,并有较好的透明度和柔韧性.     

浓差极化的介电模型——复合膜/溶液体系的数值模拟

提出了具有电导率和介电常数线性分布的介质的介电模型, 并导出了其内部电的和结构性质的参数与宏观测量的电容和电导之间定量关系的理论表达式, 以模拟复合膜中的多孔层部分的介电弛豫行为. 大量的模拟计算描述并解释了多孔层介电谱随介电常数分布、厚度等性质而变化的规律. 进一步对具有层状构造的复合膜以及复合膜和溶液相组成的多层体系的弛豫行为进行了数值模拟, 比较了三个体系(多孔层、复合膜、复合膜/液相层状体系)的介电谱, 结果揭示了介电谱对各层性质的依赖关系. 所提出的电导率和介电常数线性分布的多孔层的介电模型, 也可用于具有其他电导率、介电常数分布规律的体系.     

类钙钛矿新铌酸盐Ba5LaTi2Nb3O18的合成、结构与介电特性

为满足现代通信技术小型化、集成化与高可靠性的迫切要求,探索具有高介电常数、低介电损耗与低温度系数的微波介电材料引起了材料科学、化学、物理和电子科学等领域科学工作者的广泛关注,并已开发出复合钙钛矿结构的Ba(Mg1/3Ta2/3)O3、Ba(Zn1/3Ta2/3)O3和钨青铜结构的Ba6-3xLn8+2x·Ti18O54及Ba2Ti9O20等实用化的高性能材料[1～7].这类材料均由氧八面体共顶连接,而且氧八面体内(B位)、外(A位)阳离子比例等于或略大于1,由此,我们推测在B位与A位阳离子比例略小于1的类钙钛矿结构中也极有可能存在具有优良介电性能的新材料,因此对通式为AnBn-1O3n(n=5,6,7,8)的系列新化合物进行了系统的合成、结构与介电性能研究[8,9].本文报道在BaO-La2O3-TiO2-Nb2O5体系中合成的具有5层类钙钛矿结构的新铌酸盐Ba5LaTi2Nb3O18,发现该材料具有较好的介电性能.     

甲醇-水混合溶剂后处理制备丝素蛋白膜及其药物释放研究

采用溶液浇注法制备丝素蛋白薄膜, 应用傅里叶红外光谱(FTIR)和X 射线衍射(XRD)研究了浓度不同的甲醇-水混合溶剂处理后丝素蛋白薄膜的结构变化, 并以罗丹明B 为模型药物与丝素蛋白构建药物缓释体系, 考察了丝素蛋白膜的结晶结构对药物释放动力学的影响. 结果显示, 在甲醇体积比浓度Φ_MeOH＝50%～90%的范围内, 丝素蛋白材料中以β-折叠为主的silk Ⅱ 结晶含量随着混合溶剂中甲醇浓度的增加而先增加后下降, 在Φ_MeOH＝80%附近出现最大值. 罗丹明B 从丝素蛋白膜的释放属于Fickian 扩散机理, 其扩散指数n 随着丝素蛋白膜中β-折叠含量的增加而增加, silk Ⅱ结晶是丝素蛋白材料药物释放的天然调节器.