Preparation of High-k Polymeric Composites Based on Low-k Boron Nitride Nanosheets with High-Connectivity Lamellar Structure

材料科学 层状结构 电介质 复合材料 氮化硼 微观结构 复合数 环氧树脂 气凝胶 聚合物 纳米片 高-κ电介质 化学工程 纳米技术 光电子学 工程类
作者
Ruolin Han,Jiafei Ren,Zheng Zhou,Guangxin Chen,Qifang Li
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (28): 34064-34074 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acsami.3c06143
摘要

Typically, the basic method to enhance the dielectric response of polymer-based composites is to fill giant dielectric ceramic fillers, such as BaTiO3 and CaCu3Ti4O12, into the polymer matrix. Here, by using low-k boron nitride (BN) with well-controlled microstructure and surface, we successfully prepared a high-k polymeric composite, where the improvement in the dielectric constant of the composite even exceeds that of composites containing BaTiO3 and CaCu3Ti4O12 particles at the same weight percent. First, a lamellar boron nitride nanosheet (BNNS) aerogel was prepared by bidirectional freezing and freeze drying, respectively, and then the aerogel was calcined at 1000 °C to obtain the lamellar BNNS skeleton with some hydroxyl groups. Finally, the epoxy resin (EP) was vacuum impregnated into the BNNS skeleton and cured inside to prepare the lamellar-structured BNNSs/EP (LBE) composites. Interestingly, the dielectric constants of LBE with a 10 wt % BNNS content reached 8.5 at 103 Hz, which was higher by 2.7 times than that of pure EP. The experimental data and the finite element simulations suggested that the increased dielectric constants of LBE resulted from the combination of two factors, namely, the lamellar microstructure and the hydroxyl groups. The stacking of the BNNS phase into a highly connected lamellar skeleton significantly increased the internal electric field and the polarization intensity, while the introduction of hydroxyl groups on the BNNS surface further improved the polarization of the composite, resulting in a significant increase in the dielectric constant of the LBE. This work provides a new strategy for improving the dielectric constant through the microstructure design of composites.

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