石墨烯掺杂聚合物复合材料介电性能建模

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29510

材料工程与机械制造

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石墨烯掺杂聚合物复合材料介电性能建模

方子唯¹^,², 何晶靖¹^,²(), 林京¹

^1.北京航空航天大学可靠性与系统工程学院，北京 100191
^2.北京航空航天大学宁波创新研究院高精尖制造技术与装备创新研究中心，宁波 315800

收稿日期:2023-09-01 修回日期:2023-11-17 接受日期:2023-12-12 出版日期:2023-12-19 发布日期:2023-12-18
通讯作者: 何晶靖 E-mail:hejingjing@buaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(U2230204);宁波国际科技合作项目(2023H018)

Modeling study on dielectric properties of graphene⁃doped polymer composites

Ziwei FANG¹^,², Jingjing HE¹^,²(), Jing LIN¹

^1.School of Reliability and Systems Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China
^2.Advanced Manufacturing Center，Ningbo Institute of Technology，Beihang University，Ningbo 315800，China

Received:2023-09-01 Revised:2023-11-17 Accepted:2023-12-12 Online:2023-12-19 Published:2023-12-18
Contact: Jingjing HE E-mail:hejingjing@buaa.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(U2230204);Ningbo International Science and Technology Cooperation Project(2023H018)

摘要/Abstract

摘要：

基于界面极化理论提出了一个石墨烯掺杂聚合物复合材料的介电模型，描述了石墨烯对复合材料有效介电常数的影响。该模型解释了石墨烯纳米片与聚合物基体在界面层的相互作用，计算了界面层的局部介电常数和局部电场强度，并通过控制变量方式对模型内材料参数的影响进行了分析。与传统经验模型相比，提出的模型明确了分离上限距离、势垒高度、基体层电导率、石墨烯纳米片层尺寸等因素对有效介电常数的影响机制。对多类二元、三元介电复合材料体系的有效介电常数进行了预测，并与实验样品实测值、文献值进行对比，验证了所提出模型的有效性。

关键词: 石墨烯, 介电常数, 界面极化, 聚合物复合材料, 掺杂改性

Abstract:

A dielectric model of graphene-doped polymer composites is proposed based on the interfacial polarization theory， and the effect of graphene on the effective permittivity of the composites is described. The proposed model explains the interaction between graphene nanoplatelets and polymer matrix at the interfacial layer and calculates the local permittivity and the local electric field of the interfacial layer. With the control variable method， the influence of material properties in the dielectric model is analyzed. Compared with the traditional empirical model， the proposed dielectric model clarified the mechanism of the effect of the upper limit separation distance， the potential barrier height， the matrix layer conductivity， the graphene nanoplatelet sizes， and other factors on the effective permittivity. The effective permittivity of multiple binary and ternary dielectric composites is predicted. The validity of the proposed model is verified by comparing with the experimental values of samples and literature.

Key words: graphene, permittivity, interfacial polarization, polymer composite, doping modification

中图分类号:

V257

方子唯, 何晶靖, 林京. 石墨烯掺杂聚合物复合材料介电性能建模[J]. 航空学报, 2024, 45(14): 429510-429510.

Ziwei FANG, Jingjing HE, Jing LIN. Modeling study on dielectric properties of graphene⁃doped polymer composites[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(14): 429510-429510.

图/表 10

图1

图2

表1

模拟过程中的设定参数

参数	取值	参数	数值
$L$ /μm	10.00	$ε m$	100.65
$D$ /μm	1.41	$ε c$	1.80
$r c$ /nm	0.50	$σ m$ /（S·m^-1）	10^-7
$d c$ /nm	10.00	$σ c$ /（S·m^-1）	10⁵
$φ c$ /vol%	0.28	$a$	2 183
$E 0$ /（10⁵ V·m^-1）	1	$λ$ /eV	0.01
$a c$ /μm²	3.12	$φ$ /vol%	0.3

表1

图3

图4

图5

图6

图7

图8

图9

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