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 隨著微電子行業的發展，具有高介電常數、高電場響應、低介電損耗、易加工、低成本的聚合物基復合材料應用前景廣闊。雖然以壓電鐵電陶瓷為填料的無機物/聚合物復合材料已經在電容器等領域得到應用，但為了達到較高的介電常數 (>100)，需要較大的陶瓷填充量(>50%)，從而失去了復合材料的柔韌性，提高了成本，降低了加工性能。隨后以金屬粉末為導電填料的金屬/聚合物復合材料由于較高的介電常數和很小的滲流閾值獲得了較高的關注。但由于金屬顆粒很難在聚合物里分布均勻，并且金屬和聚合物之間結合力差，導致在滲流閾值附近介電性能不穩定，損耗較大，機械性能較差。近年來聚苯胺等導電有機填料與聚合物基體之間有很好的相容性，并且導電聚合物的導電率有很大的可調范圍，因此制備的全有機高介電常數復合材料具有很好的加工性能，在接近滲流閾值時仍能保持較高的介電常數和低損耗，是值得重點研究的一種新型材料。目前制備出的導電聚合物大都是顆粒或者纖維狀，這樣的形貌局限了全有機高介電常數復合材料的研究。由于復合材料介電常數的提高得益于逾滲導電網絡的建立，而逾滲閾值與導電填料的形狀，尺寸，以及在基體里的分布密切相關。因此如何制備具有新結構的導電聚合物，提高其在基體中的分布，實現用更少填料獲得更高介電常數，是聚合物基高介電材料的研究熱點。

圖1 (a) 掃描電鏡下的納米曲別針型聚吡咯，(b) 掃描電鏡下納米復合材料的表面形貌，(c) 復合材料介電常數和基體介電常數比率隨聚吡咯質量比的變化，插入圖顯示滲閾理論擬合結果。

 近期，美國奧本大學材料工程系程中陽教授和化學工程系張新宇教授研究團隊同時從新導電填料選取和新復合材料制備方法兩個方面入手，研究出新型高介電常數、低介電損耗、低逾滲閾值的全有機納米介電復合材料。這項研究中，聚合物基體采用具有鐵電性能的聚偏氟乙烯共聚物P(VDF-TrFE) 以達到較高的初始介電常數。填料采用簡便一步到位的“氧化模板組件”方法制備的新型二維納米回形針形狀的聚吡咯(Polypyrrole)，如圖一(a)和(b)所示。此類回形針聚吡咯長寬尺寸接近1 μm，纖維直徑在100-200 nm，電導率為2.89 S/cm。同時運用薄膜澆鑄和多層熱壓相結合的新方法，將4層厚度為30~40 μm薄膜在150^oC下均勻熱壓，最終形成有均勻微觀結構的復合材料。導電填充物的均勻性能充分提高滲濾閾值。從圖一(c)可以看出，在導電聚合物均勻分布的前提下可以獲得較低的滲濾閾值 (<8%)和非常高的介電常數。在室溫下介電常數大于1000，是純P(VDF-TrFE) 介電常數的100倍。更重要的是，在獲得高介電常數的同時，介電損耗還能保持較低的數值(<2)，要遠低于其他使用一維材料的復合材料。作者深入研究了介電性能和滲濾閾值隨頻率和溫度變化的情況，提出了目前廣泛使用的滲濾公式的局限性。

 研究進一步表明，當復合材料長度為1 cm的時候，可以完全彎曲成環，體現了這種復合材料有很好的柔韌性。對于柔性器件，一個關鍵的問題是材料在不同的彎曲的條件下性能是否發生變化以及引起變化的機制。作者發現，在彎曲和平直狀態間轉換時，復合材料的介電損耗不會發生變化，但是彎曲時的電容會大于平直時的電容，并且這樣的變化不隨頻率變化。很有趣的是，在彎曲后恢復平直狀態的電容跟彎曲前一致。因此電容的變化是由于彎曲時幾何形狀的變化導致的，而介電常數不會隨形狀的變化而變化。這種高性能、質量輕，可彎曲的電子材料可以適用于電容器、微驅動器、智能材料、微電子機械等多個領域。本研究對合成具有高介電性能的全有機納米復合材料提供了借鑒和指導意義。

相關內容發表在Nano Energy上: L. Zhang et al. Nano Energy, 26, 550-557 (2016) http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2016.06.022