碳/氧化铝陶瓷复合材料的制备与电学性能研究

作     者：刘元会 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：程传兵

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：负介电常数 电磁超材料 超复合材料 氧化铝陶瓷 碳材料 

摘      要：电磁超材料是一类具有负电磁参数的新型电磁介质,其在电磁屏蔽、隐身、天线、电容器等领域展现出广阔的应用前景。超复合材料是超材料的一个分支,其结构组成不同于常规超材料。常规的超材料一般由亚波长结构单元周期性排列而成,其负电磁参数主要决定于人工设计的周期性单元。超复合材料的电磁特性不依赖于周期性单元,主要来源于材料的化学组成与微观结构。从材料学角度,开发基于材料本征性质的超复合材料是一项非常有意义的研究工作,这是因为材料界更关注材料微观结构组成与性能的关系。但是,相对于常规的序构超材料,超复合材料的研究起步较晚,相关研究较少。负介电常数的调控是电磁超材料领域的研究重点,具有重大的理论与实际应用价值。比如,调控负介电的出现频段有利于材料应用于微波滤波器、新型天线等;具有大的负介电常数数值的材料可用于电磁屏蔽领域;小的负介电常数数值与弱的介电频散特性有助于其用于叠层电容器。对于超复合材料,可以通过组分设计和微观结构剪裁,对其负介电常数进行调控。因此,本论文以不同尺寸和空间维度碳材料(碳黑颗粒、碳纤维、石墨烯)为功能相,氧化铝陶瓷为绝缘基体,利用热压烧结工艺制备出多类碳/氧化铝陶瓷复合材料,围绕材料组成结构设计与负介电实现、调控机理进行研究,并结合逾渗理论、自由电子理论、等效电路分析,深入探讨了复合材料在低于10 MHz频段下的负介电、阻抗、电导率等频散特性。本论文开展的主要研究工作如下:(1)制备的多类碳/氧化铝陶瓷复合材料在测试频段均具有负的介电常数,这归因于碳功能相所构筑的逾渗网络的自由电子的等离子体振荡,负介电频散特性符合Drude模型。材料内部的有效电子浓度决定材料整体的等离子体频率,从而会影响其负介电的频散特性,随着碳功能相的含量增多而负介电常数的绝对值增大。因此,可以通过复合材料的组分设计去调控材料内部的有效电子浓度,从而有效调控负介电行为。功能相的尺寸和空间维度均对复合材料的负介电行为有一定的贡献,纳米尺寸和高维度有助于功能相的逾渗网络的筑建,从而有利于实现复合材料的负介电行为。此外,外部温度场也影响着碳复合材料的电学性能,外部温度会影响碳复合材料的自由电子浓度与电子运动状态,进而影响材料的负介电性能。需特别注意的是,负介电常数的数值随温度变化较小,这为精准调控负介电行为提供了可能。(2)电导率频散特性与碳功能相的数量、分布程度有关。随着碳功能相添加量的增加,复合材料的导电机制由跳跃式电导过渡到类金属电导,出现了逾渗现象。碳功能相的添加量低于逾渗阈值,碳功能相呈现孤立分布状态,电导率较低,材料表现出跳跃电导行为。碳功能相的添加量超过逾渗阈值,碳功能相开始相互接触构建逾渗网络,电导率增大,具有类金属电导。(3)碳功能相的含量影响复合材料的阻抗特性,随着碳含量的增多,复合材料由电容性转变为电感性,利用等效电路可准确的分析材料的阻抗特性。当碳功能相添加量低于逾渗阈值,材料能够等效为一个含有电阻和电容的电路,这时材料的介电常数为正值,具有电容特性。当碳功能相添加量超过逾渗阈值后,材料的介电常数为负数,材料具有电感特性,能够等效为一个含有电感、电容和电阻的电路。复合材料的介电常数正-负转换会伴随着其电容-电感特性的转变,材料的负介电行为的出现往往伴随着电感特性。(4)逾渗复合材料的介电损耗主要来源于电导损耗与极化损耗,随着碳含量的增加,材料的介电虚部快速增大,这是由于电导损耗快速增加与极化损耗增强。具有负介电的复合材料介电损耗主要来源于逾渗网络中大量的自由电子受电场作用会形成的电导,并在此过程中会产生极大的电导损耗。结合电导损耗公式拟合呈线性关系,说明介电损耗以电导损耗为主,因而表明了等离子振荡型负介电行为一般伴随着较大的介电损耗。