一、研究背景

纳米复合材料具有优异的电气和机械特性、耐腐蚀性、耐高温性以及在各种环境中的可靠性能。然而，聚合物中纳米填料的正确选择在很大程度上会影响纳米复合材料的性能，如结构、热耐久性、水回弹性、阻燃性能和机械性能。因此，全世界的研究人员都在努力开发能满足当前市场实际应用需求的材料。

聚合物纳米复合材料的最新进展表明，通过加入各种纳米填料，聚合物纳米复合材料的机械、电气和热性能得到了显著改善。例如，El Gohary 等人（2023 年）研究了掺杂纳米铜粒子（Cu NPs）和纳米氧化锌（ZnO NRs）的聚乙烯醇（PVA）和海藻酸钠混合物的结构、光学、热学、电学和介电特性。这种混合纳米复合材料的性能指标得到了提高，由于其结构完整性和电气性能得到了改善，因此非常适合储能应用。同样，Meera 和 Ramesan（2023 年）也探索了沸石纳米颗粒对羧甲基壳聚糖/PVA 混合纳米复合材料的增强作用。他们在研究中使用的绿色合成方法得到了具有优异机械、热和阻隔性能的纳米复合材料。这些性能的提高对于生物降解包装和其他环保材料的应用至关重要。

在另一项研究中，Ramesan 等人（2018 年）制备并表征了一种基于 PVA、腰果树胶 (CTG) 和浮石颗粒的聚合物共混复合材料。他们的研究发现，添加浮石颗粒会导致 PVA/CTG 网络结构变化，从而改善导电性和介电性能，尤其是在浮石含量为 10 wt% 时。这种改善归因于浮石颗粒在聚合物链中的有序性提高。此外，在 PVA 基质中加入导电纳米填料（如碳纳米管 (CNT) 和氧化锌等金属氧化物）也是许多研究的重点。例如，研究表明，加入此类纳米填料可显著提高聚合物基体的导电性和机械强度，从而拓宽了 PVA 基纳米复合材料在先进技术领域的应用范围。在另一项研究中，使用不同重量比的 MWCNT 合成了 PVA/MWCNT 纳米复合薄膜，可用于开发基于纳米技术的能量收集和存储设备。

对相关文献的深入研究表明，PVA 作为一种基本聚合物，具有水溶性、无害性、良好的电学和光学特性、化学稳定性和优异的介电特性等显著特点。另一方面，氧化锌是一种无机物，以其半导体和压电特性而闻名，在电子应用中具有重要价值。碳纳米管为圆柱形结构，其强度和导电性能对增强复合材料的电气属性非常重要。由于碳纳米管具有各种优异特性，已被广泛应用于各个领域。

因此，本研究旨在探讨 CNTs 和 ZnO 对电纺丝法合成的 PVA 基复合材料的电气和机械性能的影响。此外，本研究还旨在探讨这些纳米填料的加入如何提高 PVA 复合材料的性能，从而扩大其在先进技术领域的应用。

二、摘要

本研究以碳纳米管（CNTs）和氧化锌（ZnO）为填料，在聚乙烯醇（PVA）基体中合成了聚合物复合纳米纤维和薄膜，旨在评估它们的电气和机械性能。采用静电纺丝机器和溶液浇铸技术，将不同重量比的 CNTs 和 ZnO 分别加入 PVA 基体中，制备出了复合纳米纤维和薄膜。将特定重量比的 PVA、ZnO 和 CNT 混合后制备溶液，然后进行磁力搅拌和超声波均质。电纺丝在 20 千伏电压下进行，注射器到收集器的距离为 14.5 厘米，流速为 2.4 毫升/小时。使用傅立叶变换红外光谱和扫描电子显微镜（SEM）对复合材料进行了表征。PVA/5%ZnO/0.5%CNT 复合材料在高频下的介电常数最高，为 10.3，而 PVA/5%CNT 在 2 MHz 时的电容最高，为 31.1 pF。PVA/5%ZnO/0.5%CNT 复合材料的最大交流电导率也达到了 2.72 × 10- 7S/m。机械测试表明，PVA/5%CNT 复合材料的杨氏模量、应力屈服和负载屈服均有明显改善，杨氏模量达到 387.12 兆帕，应力屈服达到 6.92 兆帕。氧化锌和碳纳米管填料的添加增强了电气和机械性能，使这些复合材料适合应用于微电子设备和包装材料。

三、结论

利用静电纺丝机器合成了纯 PVA 基体及其复合材料的二元和三元复合纳米纤维，并通过溶液浇铸法合成了薄膜。与该领域的其他研究相比，合成的二元和三元 PVA 基复合材料在电气和机械性能方面都有显著提高。傅立叶变换红外光谱和扫描电镜分析对这些复合纳米纤维进行了表征。对电纺纳米纤维的电气性能进行了评估。使用万能拉伸试验机测量了薄膜的机械性能。傅立叶变换红外光谱结果证实了填料与主基体之间的强烈相互作用。扫描电子显微镜分析表明，添加的材料分散良好，没有孔隙、空洞或团聚，与纯 PVA 纳米纤维相比，纳米纤维的密度有所增加。电学特性包括介电常数、电容、交流电导率和介电损耗。PVA/5%ZnO)/0.5%CNTs 的介电常数最高，达到 10.3，超过了 PVA-TiO2 和 PVA-SiO2 复合材料等类似研究中报告的数值，而 PVA/5%CNTs 的最大电容为 31.1 pF。此外，PVA/5%ZnO/0.5%CNTs 复合材料的电导率为 2.72 × 10- 7S/m，优于 PVA-Graphene 和 PVA-Ag 复合材料等其他材料。同样，还测量了薄膜的机械性能。机械性能，包括增强的杨氏模量、应力屈服、应变屈服和断裂伸长率，进一步凸显了这些复合材料的卓越性能。这些增强的性能使这些材料特别适用于微电子设备，因为在这些设备中，高介电常数和可控导电性是实现高效性能的关键。复合膜机械强度和耐久性的提高也使其成为理想的包装材料，既能提供柔韧性，又能提供强度。因此，这些复合材料在电气和机械特性方面的进步凸显了它们在微电子（电气）和封装（机械）应用中的潜在用途。

图1.溶液制备示意图。

图2.电纺丝方案

图3.纯 PVA（a,b）、PVA/5%ZnO（c,d）、PVA/5%CNT（e,f）、PVA/5%ZnO/0.5%CNT（g,h）和 PVA/5%ZnO/1%CNT （i,j）的扫描电镜分析。

图4.纯 PVA（a,b）、PVA/5%ZnO（c,d）、PVA/5%CNT（e,f）、PVA/5%ZnO/0.5%CNT（g,h）和 PVA/5%ZnO/1%CNT （i,j）的扫描电镜分析。