薄膜的體積電阻率、擊穿場(chǎng)強(qiáng)、相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切

壹、PI/納米Al2O3復(fù)合薄膜的體積電阻率：

圖4為不同納米Al2O3含量的PI/納米Al2O3復(fù)合薄膜的體積電阻率。由圖4可見，隨著納米Al2O3含量的增加，復(fù)合材料的體積電阻率在2%處略有增加，之后逐漸減小。在PI/納米Al2O3復(fù)合體系中，聚酰亞胺為連續(xù)相，納米Al2O3為分散相，該復(fù)合材料的體積電阻率與聚酰亞胺、納米Al2O3以及兩相間的界面密切相關(guān)。而無(wú)論是聚合物或填料由于制造過(guò)程的影響會(huì)引入許多離子，因此介質(zhì)中的導(dǎo)電通常是離子為輸運(yùn)載流子。當(dāng)Al2O3在聚酰亞胺中含量較低時(shí)，復(fù)合材料中的載流子被納米粒子表面的大量不飽和鍵和缺陷捕獲，成為束縛電荷，使材料中載流子濃度降低，所以材料的體積電阻率略有升高。當(dāng)Al2O3在聚酰亞胺中含量超過(guò)某一臨界值后，納米Al2O3本身所攜帶的雜質(zhì)離子數(shù)量不能忽略，再加上顆粒之間距離減小，載流子遷移所需的勢(shì)壘降低，造成體積電阻率的下降。

貳、擊穿場(chǎng)強(qiáng)：

電介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)是衡量電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下保持絕緣性能的極限能力，PI/納米Al2O3復(fù)合薄膜的擊穿場(chǎng)強(qiáng)與納米Al2O3填充量之間的關(guān)系如圖5所示。PI/納米Al2O3復(fù)合材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨著納米Al2O3填充量的增大而降低。一般來(lái)說(shuō)，電介質(zhì)的擊穿主要發(fā)生在材料介電性能最薄弱的環(huán)節(jié)。對(duì)于PI/納米Al2O3復(fù)合材料而言，聚酰亞胺與納米Al2O3形成的界面為弱點(diǎn)。當(dāng)納米Al2O3填充量較大時(shí)，材料中存在大量的有機(jī)一無(wú)機(jī)界面，在電壓的作用下，容易形成導(dǎo)電通道而造成擊穿，因此擊穿電壓較低。相對(duì)而言，純聚酰亞胺薄膜中不存在這種界面，因此具有較高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。此外，納米Al2O3顆粒引入的雜質(zhì)離子的濃度也隨著填充量的增加而增大，在電場(chǎng)作用下材料內(nèi)部自由電荷的濃度增大，造成了復(fù)合材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)的下降。

叁、相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切：

圖6顯示實(shí)驗(yàn)溫度為室溫、實(shí)驗(yàn)頻率為50Hz下測(cè)定的PI/納米Al2O3復(fù)合材料介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)隨納米Al2O3含量變化而變化的關(guān)系。該復(fù)合材料的介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)隨納米Al2O3含量的增加而增大。PI介電常數(shù)為3.0左右，對(duì)于PI/納米Al2O3復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，納米Al2O3的引入增加了材料中的極性基團(tuán)數(shù)量，且極性基團(tuán)的數(shù)量隨著納米Al2O3含量的增加而增多。在電場(chǎng)的作用下，這些極性基團(tuán)使材料的極化強(qiáng)度增加，從而引起相對(duì)介電常數(shù)的增加。此外，復(fù)合材料由于納米Al2O3的特殊表面效應(yīng)，在復(fù)合材料界面處可能發(fā)生了更為復(fù)雜的極化形式，也會(huì)使材料的極化強(qiáng)度增大。

PI/納米Al2O3復(fù)合材料的介質(zhì)損耗主要來(lái)源于極性基團(tuán)的松弛損耗和電導(dǎo)損耗。由上述分析可知，復(fù)合材料中極性基團(tuán)在電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生一定強(qiáng)度的極化，在去掉電場(chǎng)的瞬間產(chǎn)生極化松弛，從而引起介質(zhì)的松弛損耗。同時(shí)由2.3節(jié)的分析可知，復(fù)合材料中的導(dǎo)電載流子數(shù)量隨著納米Al2O3含量的增加而增加，在交變電場(chǎng)的作用下，引起載流子的遷移，造成介質(zhì)的熱損耗。