环氧树脂纳米复合材料介电和绝缘性能研究

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1、圆中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences博士学位论文作者姓名：蒸盒±指导教师：韭墨班窥县强匪副班窥屋学位类别：王堂】盎±学科专业：挝抖堂培养单位：国塞结监整芏虫!垒2012年11月Jin-pingPengJin-ingADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofMaterialScienceNationalCenterforNa

2、noscienceandTechnologyNovember,2012致谢本论文是在导师张忠研究员和张晖副研究员的共同指导下完成的。从研究课题的商榷与选取、实验方案的确定及修正、实验结果的分析与讨论到学术论文专利等的撰写与修改，两位导师都给予了专业的指导和极大的帮助。两位导师严谨朴实的科研作风，深厚渊博的专业学识，诲人不倦的精神品德给我留下了深刻的印象，并深深影响了我在学期间的工作、学习和生活。平日里，无论是实验上的问题还是生活中的麻烦，老师的亲切与和蔼都让我有如沐春风般的感受。聆听导师的谆谆教诲，体悟科研的独特魅力，两位导师的言传身教在我今后的人生道路上一定会起

3、到潜移默化的作用。在此，向尊敬的两位老师表示由衷的感谢和诚挚的敬意。论文中的一部分实验工作是在国家纳米科学中心裘晓辉研究员指导下和裘老师的研究生张冬冬同学合作完成的。在此，非常感谢裘晓辉老师的大力帮助和悉心指导，同时对合作者关丽博士和张冬冬博士表示衷心的感谢。同时还要感谢课题组的金灏副研究员、刘璐琪副研究员，助理研究员高锋、江建、蒋志敏、陈卓、王蕾等在实验上给予的诸多帮助。感谢课题组秘书张春在生活上的关心和支持。实验室的同学们在我实验的进程中提供了不计其数的帮助，在此衷心感谢各位，彭珂、汤龙程、张辉、严昊、贾玉、高云、岳映雷、李娟、周凌云、严栋、曾志辉、薛崤、李凌

4、云、鞠思婷、韩金华、况军、宋品、沈志军、褚鹏飞、李政兴等。此外，还要感谢公共仪器平台的齐笑迎、王东伟、徐鹏、闰晓英、常怀秋、郭延军等老师在实验检测中的帮助，感谢研究生部的潘海莲、任怀诗老师，人力资源部的范伟民老师，综合事务处的汲志华、田梅等老师的支持与鼓励。最后特别感谢我的父母，父母的关爱与叮咛是我前进的最大动力，有了父母的支持和理解，我才能安心地完成学业。作者：彭金平2012年11月摘要由于优良的物理和化学性能、良好的加工工艺性，环氧树脂作为电绝缘材料在电力输运等新能源领域得到了广泛应用。近年来，电绝缘材料小型化和轻量化的发展趋势对环氧树脂的电气绝缘性能提出了越

5、来越高的要求。随着纳米技术的迅速发展，纳米复合材料的宏量制备成为可能。纳米复合材料与传统材料相比具有独特的物理化学性能。本论文采用机械分散方法，向环氧树脂中添加了不同种类和含量的纳米颗粒，制备一系列环氧树脂纳米复合材料，并对其介电和绝缘性能进行了系统研究，同时表征了纳米复合材料的力学、热学性能；此外，通过静电力显微镜技术对纳米复合材料的介电响应、相位延迟等信息进行了研究，从微观角度探讨了纳米颗粒与环氧树脂基体在电场下的相互作用。本论文取得如下进展：l、研究了环氧树脂纳米复合材料介电常数、介电损耗与测试频率的相关性。实验中选择了三类纳米颗粒：导电型纳米颗粒(多壁碳纳

6、米管、还原氧化石墨烯)、半导体型纳米颗粒(二氧化钛)和绝缘型纳米颗粒(二氧化硅、三氧化二铝)。研究表明：1)在103Hz时纯环氧的介电常数为4．1l，介电损耗为0．02．0．03。2)碳纳米管／环氧树脂纳米复合材料的介电常数随着颗粒含量的增加呈现先增后降的趋势。当颗粒含量为0．5wt．％时，在103Hz时复合材料的介电常数为1328，并伴随较大的介电损耗；而碳纳米管经过臭氧化处理后，由于结构破坏导致导电性降低，复合材料的介电常数也明显降低。3)随着还原氧化石墨烯含量的增加，纳米复合材料介电常数呈现不断增大的趋势：当含量为0．1wt．％时，在103Hz时纳米复合材料

7、介电常数为8，介电损耗为O．1；当含量为O．15wt．％时，纳米复合材料介电常数为2l，介电损耗也相应地增加到10以上。4)纳米二氧化钛／环氧树脂纳米复合材料的介电常数随着纳米颗粒含量的增加仅有小幅提高，介电损耗大约在0．02．0．04之间。5)添加1wt．％正硅酸乙酯包覆的碳纳米管小幅提高了复合材料的介电常数。6)绝缘型纳米颗粒(二氧化硅、三氧化二铝)基本不影响环氧树脂纳米复合材料的介电常数，介电损耗也较小，均在O．02左右。2、利用静电力显微镜技术表征了环氧树脂纳米复合材料的微观结构：纳米颗粒与环氧树脂基体形成的界面可以从介电损耗角图上直观反映出来。不同温度下

8、的介电信号