氮化硼（CY-HBN）对纳米洋葱碳/硅橡胶复合材料的介电和力学性能的影响

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摘 要:为提升硅橡胶的介电与力学性能,将零维的纳米洋葱碳(OLCs)和二维的氮化硼（CY-HBN）纳米片(BN)同时添加到硅橡胶(SR)中来制备 OLCS/BN/SR复合材料。通过对所制备的复合材料进行系统研究,发现填料能均匀地分散在聚合物基体中,且OLC/BN/SR复合材料的介电性能和力学性能明显增强。当1.2%的纳米洋葱碳和9%的氮化硼（CY-HBN）纳米片添加到硅橡胶时,复合材料的介电常数增加到7.31,而介电损耗则低至0.00152。这主要是因为不同填料之间的协同作用增强了填料在聚合物基体中的分散性以及复合材料中增强的界面极化效应。复合材料也显示出良好的柔韧性,即断裂伸长率为748 %,而弹性模量则为227kPa。因此,不同维度的低维填料之间的协同作用,能使得复合材料表现出的高介电常数、低介电损耗以及低弹性模量。
前言
硅橡胶由于其热稳定性、抗氧化和紫外、极低的介电损耗等优是性能而被作为介电弹性体材料，吸引了广大研究者的注意力。由于硅橡胶的非极性特性其介电常数还有待进一步提高。通常采用添加无机陶瓷填料或导电填料的方式来增强硅橡胶的介电常数，。但陶瓷填料需要较多,且会对复合材料的力学性能尤其是弹性模量造成影响。导电填料只需少量,但导电填料尤其是低维纳米碳材料,如一维碳纳米管、二维石墨烯等,很容易团聚,从而影响复合材料的性能。
为了解决纳米填料在聚合物基体中的团聚现象，有研究采用不同维度填料之间的相互协调作用,来增强填料在聚合物基体中的分散性。不同维度的碳纳米材料如二维石墨烯、一维碳纳米管、零维炭黑及其杂化填料能显著增强硅橡胶的力学、热学及电学性能等如通过球磨法将二维石墨烯和零维钛酸钡加入氟硅橡胶中,明显提升了复合材料的介电和力学性能!。因此,不同维度的低维纳米填料之间的相互作用,能改善填料在聚合物基体中的分散性,进而提升复合材料的性能。
纳米洋葱碳是由 Ugarte 于1992年发现的,其具有独特的中空笼状及同心石墨层结构,在电化学储能、电磁屏蔽、超导等领域有广泛的应用潜能…3。采用纳米洋葱碳可增强聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯胺、聚苯乙烯等聚合物的介电性能。因此,作为一种零维的碳材料,纳米洋葱碳也能显著增强聚合物基复合材料的介电性能。同样地,纳米洋葱碳在聚合物基体中很容易发生团聚,且将纳米洋葱碳作为填料在增强硅橡胶介电性能的研究鲜有报道。氮化硼（CY-HBN）纳米片是一种具有六方结构的二维纳米片状材料,其具有良好的导热性,也被用作第三相在增强聚合物基复合材料的介电性能!45。本研究中,为了提高硅橡胶作为介电弹性体材料应用的可能,将零维纳米洋葱碳和二维氮化硼（CY-HBN）纳米片同时作为填料,研究氮化硼（CY-HBN）纳米片对复合材料性能的影响。结果表明,所制备的硅橡胶复合材料显示出较好的介电和力学性能。
2.4 复合材料的介电性能
图6为复合样品在不同频率下的介电性能。从介电常数与频率的变化曲线[图6(a)]可以看到,在低频(20~1 000 Hz)时,介电常数随着频率的降低而出现明显的增长,这可能是因为低频时界面极化效应起主导作用。当频率高于1kHz时,介电常数趋于稳定。随着复合材料中填料的添加,介电常数也在增长中。纯硅橡胶在1 kHz下的介电常数为2.92,复合样品 1.20LCs/SR的介电常数也增加到4.68。根据界面极化模型!9],聚合物基体和填料的界面处由于电场作用会聚集大量的极化电荷,使得空间电荷水平升高,继而出现大的介电常数。由于纳米洋葱碳的尺寸小、比表面积大,界面极化效应更为明显,极化电荷密度提升,介电常数增加。而根据微电容器模型[1,纳米洋葱碳作为电极而硅橡胶作为电介质材料构成微电容器,只需添加少量的纳米洋葱碳,复合材料的介电常数就出现明显的增长。当在复合材料1.2OLCS/SR中继续添加氮化硼（CY-HBN）时,复合样品的介电常数随着氮化硼（CY-HBN）含量的增加而增加。这可以归因于两个因素:一是界面极化效应的增强。当硅橡胶中同时加入两种填料时,复合材料中有 3种界面类型,分别为硅橡胶/纳米洋葱碳界面、硅橡胶/氮化硼（CY-HBN）纳米片界面以及纳米洋葱碳/氮化硼（CY-HBN）纳米片,且界面面积也在增加,使得复合材料中的界面极化效应增强,从而出现介电常数增大的现象。二是填料在聚合物基体中的均匀分散。由于不同维度填料之间的协调作用,纳米洋葱碳和氮化硼（CY-HBN）纳米片能较均匀地分散在硅橡胶基体中,使得复合材料具有更好的介电性能。因此,当硅橡胶中添加1.2%的纳米洋葱碳和9 %的氮化硼（CY-HBN）纳米片时,复合材料的介电常数从2.92(纯硅橡胶)增加到7.31(复合样品1.2OLCS/9BN/SR),增幅达到了 250 %。
复合样品在不同频率下的介电损耗如图6(b)所示。低频(20~1000 Hz)时,所有复合样品的介电常数随着频率的降低而增加,这是因为低频时界面极化效应占主导作用[2。当电场频率高于1kHz时,复合材料的介电损耗趋于稳定。纯硅橡胶的介电损耗在1kHz频率下仅为0.000 49,复合样品1.2OLCs/SR 的介电损耗则增加到0.001 17。当在复合材料 1.2OLCS/SR中继续添加氮化硼（CY-HBN）纳米片时,复合样品的介电损耗也随着氮化硼（CY-HBN）纳米片含量的增加而增加。复合样品1.2OLCS/2BN/SR的介电损耗为0.00124，1.20LCS/9BN/SR的介电损耗则增加到0.00152。一方面是因为界面极化效应的增强,另一方面是因为纳米洋葱碳良好的导电性,容易在复合材料中产生漏电流,从而出现介电损耗的增长!。但不论如何,复合材料的介电损耗都低于0.002,这对于其作为电子器件使用是有益的,即意味着较低的热损耗。
3 结论
(1)不同维度填料之间的相互协调作用,使得纳米洋葱碳和氮化硼（CY-HBN）纳米片较均匀地分散在硅橡胶基体中,对应的硅橡胶复合材料具有高达 400 ℃以上的热稳定性;
(2)当硅橡胶添加1.2%的纳米洋葱碳和9%的氮化硼（CY-HBN）纳米片时,复合材料在1kHz时的介电常数为7.31,且介电损耗保持在较低的范围,即远低于0.002:此外,复合材料显示出明显增强的力学性能,即拉伸强度为 586 kPa,断裂伸长率为748 %,而弹性模量低至227 kPa;
(3)纳米洋葱碳和氮化硼（CY-HBN）纳米片的加人,促进了彼此在硅橡胶中的分散,增强了复合材料中的界面极化效应,提高了复合材料的介电与力学性能。