近年来,随着科技的迅速发展,新型微型化、轻量化和便携式电子器件的设计与制造以满足现代电容器的需求而引起了人们的极大关注,其中高性能电介质材料是影响元器件性能的关键因素。传统的陶瓷电介质材料具有较高的介电常数但其重量较大且质地易脆;聚合物电介质具有质轻、柔性等特点但其介电常数却相对较低。因此,要想实现聚合物基体与无机纳米粒子的优势互补,开发出兼具高介电常数和良好韧性的轻量化聚合物基复合材料是最理想的方式之一。聚芳醚腈(PEN)作为一类新型特种工程塑料,拥有优异的耐热性和韧性;此外,PEN因强极性氰基基团的存在使其介电常数达到4.0左右。本课题首先通过分子结构设计改变芳香二元酚结构类型制备获得了一系列玻璃化温度梯度和不同结构的聚芳醚腈树脂;其次,基于零维钛酸钡纳米粒子、一维碳纳米管、二维氧化石墨烯通过相应的物理或化学手段构建了新型多维多尺度纳米粒子;然后采用连续超声技术和溶液共混的方式将其引入至PEN基体中制备得到聚芳醚腈基纳米复合介质薄膜,详细地研究了不同构型、不同维度和不同尺寸纳米填料对PEN结构与性能的影响。(1)首先利用分子结构设计制备了一系列玻璃化温度梯度和不同构型的聚芳醚腈树脂,实现了对聚芳醚腈树脂结构与性能的调控。详细地研究了分子结构对PEN薄膜的热学、力学、介电和击穿强度等性能的影响。与此同时,通过对半结晶型BP-PEN薄膜进行热拉伸处理制备得到高度取向的BP-PEN薄膜,探讨了不同拉伸温度及拉伸倍率对BP-PEN薄膜结构与性能的影响。结果显示不同结构的聚芳醚腈均具有良好的热学性能,其玻璃化转变温度(T_g)在170℃~260℃之间;力学性能均在90 MPa以上,其中BP-PEN呈现出最为优异的力学性能,达到116 MPa;与此同时,BP-PEN的储能密度超过0.8 J/cm~3,呈现出最佳的储能特性;此外,当BP-PEN薄膜的热拉伸倍率从0%增加到200%时(280℃下),其熔融焓提高了9倍、拉伸强度提高了2.8倍、介电常数提高了72%。通过对比发现,BP-PEN呈现出最优的热稳定性、力学性能及储能性能,因此选择BP-PEN作为后续研究体系的基体树脂。(2)接下来基于零维钛酸钡(BT)的界面修饰制备PEN基复合介质材料。分别通过水热法、原位聚合法和化学接枝法将无机无定型碳、有机导电聚合物以及有机小分子负载于BT纳米粒子表面,从而制备得到了具有核壳结构的BT@C、PANI-f-BT和BT-g-CuPc新型无机纳米填料,并详细地研究了壳层修饰层材料及尺寸对PEN基复合材料性能的影响。与此同时,通过热拉伸方法实现无机粒子在PEN基体中的二次有序分散,系统地研究了单向热拉伸对PEN基纳米复合薄膜性能的影响。对于PEN/PANI-f-BT纳米复合薄膜而言,其纳米填料最佳的界面修饰层尺寸约为6 nm;当复合薄膜进行热拉伸100%后,其拉伸强度提高了92%,介电常数提高了34%。通过对比发现,在相同填充含量时,BT-g-CuPc纳米粒子填充制备的PEN基复合介质薄膜具有最佳的介电常数和储能密度,分别达到14.9和1.81 J/cm~3(1 kHz时),表明金属酞菁修饰层可作为后续体系界面功能化的材料类型。(3)通过控制超声和强酸酸化氧化时间制备得到不同尺寸的CNTs纳米线,并基于此与上述陶瓷填料通过原位化学键合的方式制备得到具有“铆钉”状结构的多维多尺度CNTs-g-BT纳米填料,详细地研究了纳米填料的填充含量对PEN基复合材料性能的影响。研究表明通过化学键合方式制备得到的CNTs-g-BT具有良好的稳定性,其“铆钉”状结构能够增加与PEN基体的接触面积并形成分子链互锁,有效地增强了PEN基体树脂的热学、力学和介电等性能:所有PEN/CNTs-g-BT纳米复合薄膜的T_g均在215℃以上;拉伸强度均大于90 MPa,拉伸模量大于1900MPa;当无机填料填充含量为20 wt%时,复合薄膜的介电常数在1 kHz时达到18.4,储能密度达到2.27 J/cm~3,即使当温度高达180℃时,复合薄膜的储能密度仍保持在1.6 J/cm~3左右。(4)最后基于二维氧化石墨烯(GO)的纳米片层结构及其表面丰富的含氧官能团,采用化学接枝的方法对GO表面进行氰基化处理。然后结合上述研究结果,将其作为载体模板引入至CNTs-g-BT纳米粒子中,通过化学键合原位生成CuPc的方式制备得到新型三维结构纳米填料(CNTs-BT-GO),并详细地研究了不同填充含量对PEN基体结构与性能的影响。研究发现,三维纳米填料与PEN基体具有良好的相容性,且三维立体结构的设计在一定程度上很好地避免了基体中填料间的局部团聚等缺陷,提高了纳米填料在PEN基体中的分散性;此外CNTs-BT-GO三维结构稳定,且能与PEN分子链形成互穿网络,增加了有机-无机化学界面的相互作用和物理机械咬合作用,从而有效地增强了复合薄膜的综合性能:所有PEN/CNTs-BT-GO纳米复合薄膜的T_g均超过215℃;拉伸强度均大于100 MPa,拉伸模量均在2000 MPa以上。当无机填料填充含量为20 wt%时,复合薄膜的介电常数在1 kHz时达到20.3,储能密度达到2.6 J/cm~3,即使当温度高达180℃时,复合薄膜的储能密度仍保持在1.8 J/cm~3以上。