反铁电陶瓷/聚合物复合材料介电可调性能的研究

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具有高介电可调性的电子信息功能材料在可调滤波器、移相器以及传感器等方面具有广阔的应用前景,相关研究已经成为电子信息功能材料的热点。实际应用中,介电可调材料不仅需要较高的介电可调率,还需要适中的的介电常数(εr)、低介电损耗(tanδ)以及良好的机械加工性能。钙钛矿型陶瓷具有较高的介电可调率,但介电常数较大,机械加工性能差;有较好机械加工性能的聚合物材料虽然介电损耗低,但并不具备介电可调性。因此,可利用复合效应,制备陶瓷/聚合物复合材料,在保证改材料有相对较低介电常数和介电损耗的基础上,提高复合材料的介电可调率。传统的钙钛矿铁电(FE)陶瓷虽然介电可调率较高,但εr和tanδ都较大,而且需要较高的外电场才能使εr发生明显变化。反铁电(AFE)陶瓷的εr和tanδ相对较低,相变和晶格常数的突变容易在电场和温度等外界作用下发生,使εr发生较大变化,介电可调率较高,可用作介电可调复合材料中的陶瓷相。另外,在外加电场作用下,陶瓷/聚合物复合材料中聚合物的介电性能对于复合材料内部的电场分布具有重要影响,进而影响复合材料的介电可调性能。因此,本文通过选择不同极性的聚合物材料与反铁电陶瓷进行复合,通过添加不同含量、不同形貌的导电相,提高复合材料中陶瓷相的电场分布率,实现低电场下获得高介电可调性能的目的。首先,分别用极性聚偏氟乙烯(PVDF)和非极性聚苯乙烯(PS)作为聚合物相,选反铁电陶瓷锆锡钛酸铅钡镧(PBLZST)为陶瓷相,采用溶液混合法制备了PBLZST/PVDF和PBLZST/PS复合材料,探究了聚合物介电常数大小对复合材料介电可调性能的影响。当外电场为200V/mm时,PBLZST/PVDF的最大介电可调率(nmax)=8.3%,tanδ=0.059,εr=65,优化因子(FoM)=1.41;PBLZST/PS的nmax=7.0%,tanδ=0.023,εr=51,FoM=3.04。结果表明选用非极性聚合物的复合材料的综合介电可调性能较好。其次,基于导电相的引入可以提高聚合物相的电导率,达到提高复合材料介电可调率的效果,分别用金属镍(Ni)纳米颗粒与碳(C)纳米颗粒做为导电相添加到复合材料中。实验所得数据表明引入适量的导电相在一定程度上有助于提高复合材料的介电可调率,但其含量较大时会对陶瓷颗粒上的电场起屏蔽作用;金属类导电相虽然导电性能优异,但密度较大,易于沉降,使得PBLZST/PS/Ni的介电可调性能不如PBLZST/PS/C。外电场为200V/mm时,当Ni含量为1.0wt%,PBLZST/PS/Ni的nmax=15.7%,tanδ=0.045,εr=72,FoM=3.46;当C含量为1.0wt%,PBLZST/PS/C的nmax=17.7%,tanδ=0.036,εr=124,FoM=4.88。结果表明碳类导电相料对复合材料介电可调性能的提高效果更好。最终,为探求导电相形考对于复合材料内电场分布的影响,进一步研究了多壁碳纳米管(CNT)和石墨烯纳米片(GNS)对于PBLZST/PS复合材料介电可调性能的影响。外电场为200V/mm时,当CNT含量为0.4wt%,PBLZST/PS/CNT的nmax=16.7%,tanδ=0.019,εr=107,FoM=8.47;当GNS含量为0.6wt%,PBLZST/PS/GNS的nmax=20.0%,tanδ=0.027,εr=118,FoM=7.36。
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