電気工学および電子技術ジャーナル

界面を改善したナノ構造制御ポリマーセラミック複合材料

ダグラス・B・クリシー

注意深く設計された界面構造を持つポリマーセラミックナノ複合材料は、大規模エネルギー貯蔵用の次世代誘電体コンデンサに必要な高エネルギー密度（最大 22 J/cm ³）を提供できます。私たちは、大規模な光硬化法を使用して、チオールとアルケンモノマーの混合物からチオール-エンポリマーマトリックスを調製しました。ペンタエリスリトールテトラキス（3-メルカプトプロピオネート）、2,4,6-トリアリルオキシ-1,3,5-トリアジン、および1,3-ジイソプロペニルベンゼンのモノマーは クリック反応を起こし、ラジカル媒介プロセスを使用して重合します。表面処理されたチタン酸バリウムナノ粒子（約100 nm）をモノマー混合物に組み込むと、これらの粒子もモノマーとクリックしてナノ複合材料を形成します。

 

チタン酸バリウムナノ粒子の表面処理は、ヒドロキシル化、シラン化、モノマーグラフト化の 3 段階のプロセスで行われます。シラン化にはアルケン末端シラン (3-アクリロキシプロピルトリメトキシシラン) が使用され、アルケン末端からチオールモノマーがグラフトされます。ナノ複合材料の製造中にラジカルが形成されるのは、キセノンフラッシュランプからの強力な光パルスによってチオールモノマーが活性化されるため、最終段階で光開始剤を使用する必要がありません。また、この研究における材料の組成は、チオール末端とアルケン官能基末端の化学量論比と一致するように設計されています。界面に形成された共有結合と、シランとグラフトモノマーの複合効果による分散性の向上により、特性が向上したナノ複合材料が得られます。得られたナノ複合材料は、ナノ粒子の負荷が低い場合でも 22 J/cm ³という高いエネルギー密度を示し 、誘電損失は 0.2 未満に維持されます。ナノメートルレベルでインターフェース構造を調整して、望ましい特性を得ることは困難な作業です。コスト効率の高い方法を使用して大規模なナノ複合材料を準備しながら、調整を並行して行う必要がある場合は、さらに困難になります。この研究で使用されているフォトニック硬化プロセスは、高速で高スループットであり、ロールツーロールに適した方法です。この研究は、高エネルギー密度ナノ複合材料を生産するための工業規模の方法への簡単なルートを提供します。