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【科研进展】高k聚合物纳米复合材料极大的提高
发布时间:2021-02-09 23:41    文章作者:亚博网页版

  了解小分子或单体的性质是非常重要的。合成化学家和材料工程师的努力必须得到赞赏,因为他们知道如何利用合成片段的性质来构建长链大分子。活跃在这一大分子科学领域的科学家们分享了他们在催化剂、单体和各种合成技术中设计的纳米颗粒方面的知识,从而创造出各种纳米复合聚合物材料。这些材料现在是当代世界不可分割的一部分。摘要高介电常数聚合物纳米复合材料广泛应用于栅介质、致动器、红外探测器、可调谐电容器、电光器件、有机场效应晶体管和传感器等技术领域。研究人员概述了近几十年来材料科学领域中一些引人注目的高钾聚合物纳米复合材料。

  聚合物的发现为当今时代提供了一个新的维度:这一相对年轻的化学分支作为基础科学和应用科学,在过去的50年里都取得了巨大的发展。通常,由于饱和碳原子之间的共价键,聚合物以其绝缘特性而闻名。由于聚合物的性质可以通过加入纳米填充剂等添加剂来改变,许多聚合物框架被定制并方便地获得具有可调性能的导电/半导体行为的聚合物,这在电子领域开辟了新的专门应用。为在技术领域创造新的介面,开发了具有高介电性能的聚合物结构。在微/纳米电子领域,聚合物的结构可调性开发微型模块一直是一个具有挑战性的主题,其中聚合物不仅可以用作绝缘体,还可以作为导电接口,通过优化调整电、机械和介电性能。

  一般而言,k值的标度固定在二氧化硅(SiO2)的介电常数上。二氧化硅的相对介电常数为3.9,并且其具有材料ķ3.9被归类为高ķ材料。将高k无机/有机杂化纳米材料嵌入介电聚合物中可形成介电聚合物纳米复合材料,具有出色的介电性能和高击穿强度/高能量密度,适合用于合适的电子应用。

  与传统的刚性硅技术相比,高k聚合物纳米复合材料的固有性能为柔性和可拉伸电子领域提供了一个新的维度。聚合物基电容器装置的主要优点是独特的设计,具有灵活性和易于处理。因此,利用该材料生产作为非平面柔性衬底的中等高压电子设备不需要任何关键尺寸。此外,在介电聚合物基体中加入高钾纳米结构杂化材料可以调节机械刚度和调整电子性能。因此,研究人员可以注意到开发无机/有机杂化纳米材料的大量研究,这有助于实现用于技术应用的高k聚合物纳米复合材料的显著增长。

  通常,增强介电击穿强度可以通过将纳米粒子加载到介电聚合物中来实现。首先使用相容溶剂分散纳米粒子,然后将其嵌入介质聚合物基体中。这种溶液混合技术是合成具有优良介电击穿强度的高钾聚合物纳米复合材料的最著名的方法。考虑到击穿强度,表1列出了一些重要的聚合物。基于击穿强度,聚四氟乙烯(PTFE)和聚丙烯(PP)是最佳选择。然而,与溶剂的相容性和薄膜处理的易用性也是关键参数,这将决定聚合物复合材料的最终应用。聚偏二氟乙烯(PVDF)复合材料制备薄膜容易,是一种理想的选择。研究人员注意到PVDF复合材料在机械和声学传感器、致动器、能量收集和非易失性存储器应用方面的大量研究报告,因为其压电、热和铁电特性。

  由于SU-8结构块可由照片定义,其上可由照片绘出的高k介质可用于嵌入式电容器的应用。此外,聚氯乙烯(PVC)是一种广泛使用的热塑性聚合物,由于其具有增塑剂和高k介质纳米颗粒的多功能特性,它可以成功地应用于消费电子产品。由于对柔性和柔性智能设备的需求日益增长,研究人员的研究小组制作了基于二氧化硅纳米颗粒嵌入塑化PVC凝胶的柔性振动触觉执行器。在设计的振动致动器中采用软凝胶作为介电层。为了使弹性恢复力最大化,设计了一种波浪形ePVC凝胶。软振动致动器的设计如图1所示。所提出的基于塑化PVC/二氧化硅纳米粒子复合材料的软振动致动器在较宽的频率范围内表现出较宽的振幅变化,并给用户带来多种触觉感受。

  图1.图示:基于epvc -二氧化硅纳米颗粒(ePVC-SDN)凝胶制作的软振动触觉驱动器。(a)振动致动器的组成。(b)上层的底面。(c)已组装的振动致动器

  图2是由CTBN和C6形成的弹性网络介电膜的示意图。他们报道了自组织的C6聚集体在介电基质中扮演纳米膜的角色,并通过抑制电树生长来增强介电强度。Lee等人也报道了类似的策略,通过可逆添加-断裂链转移(RAFT)过程设计了统计共聚物聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯)。由于筏板工艺涉及到离子液体,他们报告了由此产生的聚合物凝胶的优越离子电导率,以及在晶体管门控实验中增强的器件性能。

  报道的聚丙烯碳酸盐(PPC)介电膜与半导五苯和N,N -二辛基-3,4,9,10苝二酰亚胺(PTCDI-C8)具有良好的相容性。此外,所报道的PPC薄膜表面能为47 mN m−1,介电常数为3,可作为有机薄膜晶体管(OTFTs)和有机逆变器的衬底材料。为了理解PPC衬底上的底栅顶触式OTFT和OTFT的基本设计,研究人员绘制了草图并在图3中给出。研究人员可以看到在PPC上沉积了一层超薄的银(Ag)金属栅,并在PPC层上自旋涂覆了厚层(970nm)的生物相容性介电性聚乙烯吡咯烷酮(PVPy)。此外,通过将纳米银粒子加载到塑料溶胶中,设计了基于织物的可穿戴生物电气和生化传感器。这些聚合物可以很容易地丝网印刷在纺织品上,因为它们很好地附着在织物上。很明显,高k介电纳米粒子、碳同素异晶、导电聚合物和有机晶体材料的强化可以增强聚合物纳米复合材料的介电性能。然而,Zhang等人报道的聚丙烯(PP)/碳纳米管(CNT)纳米复合材料即使在低碳纳米管负载下也表现出负介电常数,这是因为碳纳米管的低电阻行为。

  图3.表示(a)在聚丙烯碳酸盐基板上的底栅顶触式有机薄膜晶体管(OTFT)的象形图,和(b) OTFT的典型设计

  通过添加不同的增塑剂,PVC的机械刚度和电持久性都可以改变。即使掺杂了改性无机纳米颗粒,介电特性的微调也可以完成并用于设计高性能执行器。一些报告还表明,掺杂到PVC中的氧化石墨烯和增塑剂可以作为人造肌肉应用的软致动器。塑化热塑性PVC凝胶的可控鲁棒性在可3d打印的人造肌肉的模块化构造中得到了适当的应用,有时机械驱动非常有效,它们表现得像人类肌肉。最近,Shi等人制备了超高介电常数介质凝胶。所制备的介电凝胶透明、可拉伸,介电常数在30-50范围内,为软机器人、传感器和光电应用提供了巨大的机会。Shi等人报道的获得透明介电凝胶所使用的化学物质和简短的反应条件如图4所示。

  图4.使用ACMO(单体),MBA(交联剂)和EC-PC溶剂的透明介电凝胶的示意图

  目前,利用集成技术和相干经典路径来获得高钾聚合物纳米复合材料的趋势越来越明显。在这种条件刺激下,增强具有物理化学和机电稳定性的高钾聚合物纳米复合材料的介电响应一直是一个具有挑战性的主题。由于化学长径比和纳米粒子与介电基质的表面性质也决定了特殊应用的最终性质,因此开发改变无机纳米结构的功能有机单元将需要定制,以获得优化的高钾纳米粒子。大量的合成知识也是必要的,这可以为有机电子应用带来更可靠的高钾材料。近年来在设计软致动器和电动机械响应式3d打印人工肌肉方面的进展需要工程专业知识和技能,这有助于实现全面的动态结构。由于介电弹性体材料具有卓越的可恢复变形能力,因此已被开发用于设计对外界刺激敏感的智能材料。而通过包埋功能化的高k介电纳米粒子,对介电弹性体的性能研究较少。

  柔性电子(也称为挠性电路)的日益普及,是一种将电子电路组装在柔性/可拉伸表面上的技术。这为设计柔性和可伸缩的显示器、柔性光伏电池阵列板、织物上的电子电路、柔性可穿戴电池器件等领域提供了新的建议。将高介电性纳米材料引入各种柔性高分子材料中,是设计新型功能材料的正确策略。考虑到聚合物介电材料的低介电常数行为这一关键问题,有效的制备方法也是提高其介电性能的前提,已成为开发高性能高k聚合物介电材料的重要研究课题。

  原标题:《【科研进展】高k聚合物纳米复合材料,极大的提高了红外探测器等电子仪器的性能!】》


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