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对一种超高介电常数材料的研究

发布时间:2022-10-13      点击次数:353

        高介电材料具有非常广泛的应用,评估该材料性能的主要参数之一是介电常数。因此,制备高性能的介电材料,首先就是要提高它的介电常数。电介质材料的介电常数主要源自于材料内部的极化,要想提高材料的介电常数,本文必须增强材料内部极化的强度。从第一章可知,电介质在电场下极化的分子机理比较复杂,主要包括四种:界面极化、偶极取向、离子极化和电子极化。其中,偶极取向、离子极化及电子极化和材料的组成及它们本征电性能有关,而界面极化除了和材料本征电性能有关外,还和复合材料的界面结构有关。为了制备具有高介电常数的纳米聚合物复合材料,本文通过选择合适的高介电纳米填料和聚合物基体来提高偶极取向、离子极化和电子极化,并通过纳米特有的结构来设计的界面结构来提高界面极化,从而大幅提高复合材料的介电常数。


       首先,本文选择尺寸为 100 纳米的钛酸钡颗粒作为填料,来提高聚合物复合材料的介电常数。钛酸钡是一种常见的铁电陶瓷,能够自发极化,有很高的的介电常数。同时,钛酸钡还有很好的绝缘性能和稳定性,其表面存在有反应活性羟基官能团,为后面设计特殊的界面结构提供了可行性。和其他常见的的高介电填料,如二氧化钛、氧化锌和氧化锆等无机颗粒相比,钛酸钡有很大的优势,因此被广泛用于制备高介电聚合物复合材料[。人们还研究发现,选用纳米填料比选用微米填料更有利于提高复合材料的电性能[,一方面,纳米填料有较大的比表面积,可以增大复合材料中的界面面积,从而增强界面极化,提高介电常数;另一方面,往聚合物中添加纳米填料可以提高复合材料的介电强度,提升材料的实用价值。同时,钛酸钡的介电常数和它自身的粒径有关,在 1微米左右达到最大值,然后随尺寸的减小而减小,小于 100 纳米时,迅速减小。综合考虑钛酸钡的纳米效应和它自身的介电常数,本文选用钛酸钡的尺寸为 100纳米。 


        其次,本文选用具有很高介电常数的聚合物偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物(PVDF-TrFE-CFE)作为基体,来提高复合材料的介电常数。大部分聚合物的介电常数都比较小,通常小于 10。然而,聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物因为内部有强极性的 C-F 键并且偶极能自发极化,介电常数较高,特别是PVDF-TrFE-CFE,在常温下 1 kHz 时的介电常数就超过 40。具有高介电常数的聚合物基体对提高复合材料的介电常数具有很重要的意义。 


       另外,本文还通过用超支化聚酰胺包覆钛酸钡纳米颗粒,形成一种特殊的核-壳结构,提高复合材料的介电常数。复合材料的界面极化除了和复合材料各组份的性质有关外,还和复合材料的界面结构有关。我们知道,界面极化是由于电荷在界面处聚集引起的。因此,本文可以通过设计有利于电荷聚集的特殊结构,来提高界面极化。在这里,本文选用超支化聚酰胺包覆钛酸钡,是因为和其他聚合物相比,超支化聚酰胺具有较高的电导率和介电常数。在界面处插入一层超支化聚酰胺,能够促进电荷往界面聚集,从而提高界面极化。


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