薄膜的體積電阻率、擊穿場強、相對介電常數和介質損耗角正切

壹、PI/納米Al2O3復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復合體系中，聚酰亞胺為連續相，納米Al2O3為分散相，該復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。而無論是聚合物或填料由于制造過程的影響會引入許多離子，因此介質中的導電通常是離子為輸運載流子。當Al2O3在聚酰亞胺中含量較低時，復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Al2O3在聚酰亞胺中含量超過某一臨界值后，納米Al2O3本身所攜帶的雜質離子數量不能忽略，再加上顆粒之間距離減小，載流子遷移所需的勢壘降低，造成體積電阻率的下降。

貳、擊穿場強：

電介質的擊穿場強是衡量電介質在電場作用下保持絕緣性能的極限能力，PI/納米Al2O3復合薄膜的擊穿場強與納米Al2O3填充量之間的關系如圖5所示。PI/納米Al2O3復合材料的擊穿場強隨著納米Al2O3填充量的增大而降低。一般來說，電介質的擊穿主要發生在材料介電性能最薄弱的環節。對于PI/納米Al2O3復合材料而言，聚酰亞胺與納米Al2O3形成的界面為弱點。當納米Al2O3填充量較大時，材料中存在大量的有機一無機界面，在電壓的作用下，容易形成導電通道而造成擊穿，因此擊穿電壓較低。相對而言，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強。此外，納米Al2O3顆粒引入的雜質離子的濃度也隨著填充量的增加而增大，在電場作用下材料內部自由電荷的濃度增大，造成了復合材料擊穿場強的下降。

叁、相對介電常數和介質損耗角正切：

圖6顯示實驗溫度為室溫、實驗頻率為50Hz下測定的PI/納米Al2O3復合材料介電常數、介質損耗因數隨納米Al2O3含量變化而變化的關系。該復合材料的介電常數、介質損耗因數隨納米Al2O3含量的增加而增大。PI介電常數為3.0左右，對于PI/納米Al2O3復合材料來說，納米Al2O3的引入增加了材料中的極性基團數量，且極性基團的數量隨著納米Al2O3含量的增加而增多。在電場的作用下，這些極性基團使材料的極化強度增加，從而引起相對介電常數的增加。此外，復合材料由于納米Al2O3的特殊表面效應，在復合材料界面處可能發生了更為復雜的極化形式，也會使材料的極化強度增大。

PI/納米Al2O3復合材料的介質損耗主要來源于極性基團的松弛損耗和電導損耗。由上述分析可知，復合材料中極性基團在電場的作用下產生一定強度的極化，在去掉電場的瞬間產生極化松弛，從而引起介質的松弛損耗。同時由2.3節的分析可知，復合材料中的導電載流子數量隨著納米Al2O3含量的增加而增加，在交變電場的作用下，引起載流子的遷移，造成介質的熱損耗。