双粒径陶瓷/导电粒子在聚合物中协同增强介电性能的研究

来源 :上海第二工业大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:q1104
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随着3C(Computer,Communication,Consumer electronic)产业和薄膜行业的飞速发展,带动了大多数电子器件和电介质薄膜行业的发展,在储能产业,介电材料一直受到人们的关注。但是,因为电子器件“更轻、更薄、更小”的发展方向,其中的储能器件也随之需要变小、变薄。而在电介质薄膜方面,介电材料也有着很广的应用,比如电池薄膜和膜生物反应器。但是单一物质组成储能材料的厚度已经降至物理极限。所以在厚度无法再减小时,人们开始尝试提高介电材料的介电常数,以期能达到同样的储能密度。但是一味的提高单一物质的介电常数,很容易会影响其它的性能。所以为满足高介电的同时,也不会影响其它优良性能,人们开始将注意力放在复合材料上面。高介电复合材料的组成物质选择很多,比如高介电的陶瓷,易加工的聚合物基体,和拥有渗流特性的导电粒子。本文选用具有高介电的钛酸钡(BT)和银粉(Ag)作为填料,采用聚偏氟乙烯(PVDF)作为基体,并对BT进行Nb2O5与Co3O4掺杂改性(BTNC),制备(BTNC-Ag)/PVDF三相复合材料,利用BT的高介电与Ag的渗流特性协同增强PVDF的介电性能,开展了以下实验:1.采用Nb2O5-Co3O4共掺杂BT制备表面含铌钴的BT粉体BTNC,使用硅烷偶联剂KH550处理BTNC得到(R-BTNC)粉体,通过溶液共混法制备BT、BTNC及(R-BTNC)/PVDF复合材料。结果表明,BTNC/PVDF复合材料的介电常数随着填料体积分数的增加而增大,至填料为50vol%时介电常数出现峰值。铌、钴氧化物共掺杂BT以及KH550改性填料,均可提高复合材料的介电性能。在频率为102 Hz时,填料含量为50vol%的BT/PVDF、BTNC/PVDF及(R-BTNC)/PVDF复合材料的介电常数分别为61.1、71.5及79.4。SEM结果显示,KH550可有效改善填料在基体中的分散性以及与基体的相容性。XRD衍射图谱发现,BTNC的加入使得PVDF中具有极化效应的β相增加。BTNC/PVDF复合材料的特征击穿场强为46kV/mm,比BT/PVDF复合材料的击穿场强提高了31.4%。2.采用溶液共混法将不同粒径的Ag填充到PVDF中,研究不同体积分数的Ag对Ag/PVDF复合材料介电性能的影响。当Ag粒径为25nm时,Ag/PVDF复合材料的介电常数随Ag体积分数的增加而提高,当Ag为17vol%时,介电常数在102Hz时为16,介电损耗为0.0621,超过17vol%时,Ag/PVDF复合材料的介电常数开始下降。当Ag为17 vol%时,50nm粒径的Ag/PVDF复合材料在102Hz的介电常数比25nm的介电常数低1.3,比纯的PVDF高0.7。微观形貌表明,随着Ag体积分数的增加,填料会出现少量的团聚,但是不会出现导电通路,且25nmAg/PVDF复合材料比50nm粒径的复合材料更容易团聚,而50nm粒径的Ag/PVDF比25nm在脆断时更容易发生填料的脱落。3.通过溶液共混法将BTNC与Ag共同填充入PVDF以增强其介电性能。BTNC与Ag粉共填充PVDF时,保持填料与聚合物体积比为1:1,当BTNC:Ag体积比为4:1时,介电常数可以在102Hz时达到59.7,介电损耗为0.055。当填料体积比为4:1时,使得填料与聚合物的体积比(BTNC:Ag=4:1)/PVDF的体积比为2/1时,介电常数在102Hz时介电常数为134,介电损耗为0.044,最佳体积比掺杂之后比纯PVDF的介电常数在102Hz增加了114。从X射线衍射图谱可以看出,BTNC与Ag粉的填充有利于促进PVDF中β相和γ相的峰的增强,通过增强其极性来提高介电性能。
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