Interfacial origin of dielectric constant enhancement in high-temperature polymer dilute nanocomposites

电介质 材料科学 聚合物 纳米复合材料 高-κ电介质 聚合物纳米复合材料 玻璃化转变 复合材料 介电常数 化学工程 高分子化学 光电子学 工程类
作者
Xin Chen,Hancheng Qin,Yang Liu,Yen‐Ting Lin,Bing Zhang,Wenchang Lu,Seong H. Kim,J. Bernholc,Qing Wang,Qiming Zhang
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:122 (21) 被引量:5
标识
DOI:10.1063/5.0143938
摘要

The origin of dielectric constant enhancement in high-temperature (high glass transition temperature Tg) polymer dilute nanocomposites is investigated via Infrared (IR) Spectroscopy applied through Atomic Force Microscope (AFM) and density functional theory (DFT) calculations. The dielectric constant can be greatly enhanced by trace nanofiller loadings (<0.5 vol. %) in a broad class of high-temperature polymers without affecting or even with a positive influence on breakdown strength and dielectric loss. This avenue provides attractive polymer systems for high-performance polymer-based capacitive energy storage in a wide temperature range. In the dilute nanocomposites, the interface regions between the polymers and trace nanofillers are the key to the observed dielectric constant enhancement. This Letter employs AFM-IR to study chain packing in the interface regions of polyetherimide (PEI) dilute nanocomposites. The experimental results and DFT calculations indicate that flexible linkages, i.e., ether groups in PEI, play a crucial role in inducing heterogeneous morphologies in the interface regions. These results are confirmed by studies of PI(PDMA/ODA) and other dilute polymer nanocomposites in the literature as well as by lack of dielectric constant enhancement in PI(Matrimid® 5218) that does not contain flexible linkages.
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