氮化硼（CY-HBN）對納米洋蔥碳/硅橡膠復合材料的介電和力學性能的影響

摘 要:為提升硅橡膠的介電與力學性能,將零維的納米洋蔥碳(OLCs)和二維的氮化硼（CY-HBN）納米片(BN)同時添加到硅橡膠(SR)中來制備 OLCS/BN/SR復合材料。通過對所制備的復合材料進行系統研究,發現填料能均勻地分散在聚合物基體中,且OLC/BN/SR復合材料的介電性能和力學性能明顯增強。當1.2%的納米洋蔥碳和9%的氮化硼（CY-HBN）納米片添加到硅橡膠時,復合材料的介電常數增加到7.31,而介電損耗則低至0.00152。這主要是因為不同填料之間的協同作用增強了填料在聚合物基體中的分散性以及復合材料中增強的界面極化效應。復合材料也顯示出良好的柔韌性,即斷裂伸長率為748 %,而彈性模量則為227kPa。因此,不同維度的低維填料之間的協同作用,能使得復合材料表現出的高介電常數、低介電損耗以及低彈性模量。

前言

硅橡膠由于其熱穩定性、抗氧化和紫外、極低的介電損耗等優是性能而被作為介電彈性體材料，吸引了廣大研究者的注意力。由于硅橡膠的非極性特性其介電常數還有待進一步提高。通常采用添加無機陶瓷填料或導電填料的方式來增強硅橡膠的介電常數，。但陶瓷填料需要較多,且會對復合材料的力學性能尤其是彈性模量造成影響。導電填料只需少量,但導電填料尤其是低維納米碳材料,如一維碳納米管、二維石墨烯等,很容易團聚,從而影響復合材料的性能。

為了解決納米填料在聚合物基體中的團聚現象，有研究采用不同維度填料之間的相互協調作用,來增強填料在聚合物基體中的分散性。不同維度的碳納米材料如二維石墨烯、一維碳納米管、零維炭黑及其雜化填料能顯著增強硅橡膠的力學、熱學及電學性能等如通過球磨法將二維石墨烯和零維鈦酸鋇加入氟硅橡膠中,明顯提升了復合材料的介電和力學性能!。因此,不同維度的低維納米填料之間的相互作用,能改善填料在聚合物基體中的分散性,進而提升復合材料的性能。

納米洋蔥碳最早是由 Ugarte 于1992年發現的,其具有獨特的中空籠狀及同心石墨層結構,在電化學儲能、電磁屏蔽、超導等領域有廣泛的應用潛能…3。采用納米洋蔥碳可增強聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯胺、聚苯乙烯等聚合物的介電性能。因此,作為一種零維的碳材料,納米洋蔥碳也能顯著增強聚合物基復合材料的介電性能。同樣地,納米洋蔥碳在聚合物基體中很容易發生團聚,且將納米洋蔥碳作為填料在增強硅橡膠介電性能的研究鮮有報道。氮化硼（CY-HBN）納米片是一種具有六方結構的二維納米片狀材料,其具有良好的導熱性,也被用作第三相在增強聚合物基復合材料的介電性能!45。本研究中,為了提高硅橡膠作為介電彈性體材料應用的可能,將零維納米洋蔥碳和二維氮化硼（CY-HBN）納米片同時作為填料,研究氮化硼（CY-HBN）納米片對復合材料性能的影響。結果表明,所制備的硅橡膠復合材料顯示出較好的介電和力學性能。

結論

(1)不同維度填料之間的相互協調作用,使得納米洋蔥碳和氮化硼（CY-HBN）納米片較均勻地分散在硅橡膠基體中,對應的硅橡膠復合材料具有高達 400 ℃以上的熱穩定性;

(2)當硅橡膠添加1.2%的納米洋蔥碳和9%的氮化硼（CY-HBN）納米片時,復合材料在1kHz時的介電常數為7.31,且介電損耗保持在較低的范圍,即遠低于0.002:此外,復合材料顯示出明顯增強的力學性能,即拉伸強度為 586 kPa,斷裂伸長率為748 %,而彈性模量低至227 kPa;

(3)納米洋蔥碳和氮化硼（CY-HBN）納米片的加人,促進了彼此在硅橡膠中的分散,增強了復合材料中的界面極化效應,提高了復合材料的介電與力學性能。