Polarization Mechanism Underlying Strongly Enhanced Dielectric Permittivity in Polymer Composites with Conductive Fillers

复合材料 材料科学 电介质 介电常数 导电体 极化(电化学) 聚合物 复合数 介电损耗 放松(心理学) 炭黑 天然橡胶 光电子学 化学 物理化学 社会心理学 心理学
作者
Bo Li,Clive A. Randall,Evangelos Manias
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:126 (17): 7596-7604 被引量:47
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.2c01592
摘要

Polymer composites filled with conductive fillers can demonstrate ultrahigh effective dielectric permittivity, which is generally attributed to an enhanced Maxwell–Wagner–Sillars interfacial polarization associated with the formation of microcapacitor networks. Here, we explore a composite of the ethylene–propylene–diene elastomer with carbon-black (CB) nanofillers and investigate its dielectric response over wide ranges of temperature and frequency. The dielectric relaxation exhibits atypical (counter-Arrhenius) temperature dependence, contradicting the widely assumed interfacial polarization mechanisms. It is shown that the relaxation/polarization is actually determined by electron displacement─primarily via e-conduction and tunneling within CB clusters─and that the composites' dielectric response can be quantitatively correlated with the CB cluster morphology via a set of scaling laws. Considering the selected composite as a paradigmatic system, the physical origins of the dielectric relaxation and the associated scaling relations seem to be generally applicable and expected to also pertain to other dielectric polymer/conductive-filler composites near percolation.
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