【摘 要】
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陶瓷/聚合物基复合材料拥有高的耐压强度和低的介电损耗,在电子产品的微型化、集成化以及功能性发展方面具有很大潜力,但介电常数低。为解决这一问题,同时改善击穿强度和介电损耗,以陶瓷为核,特别是以钛酸钡(BT)为核的核壳填料的开发受到广泛地关注。制备核壳填料往往需要对陶瓷进行表面修饰,如何减少环境污染隐患也是需要考虑的问题。本文以苹果酸同时作为钛酸钡表面修饰剂和聚苯胺(PANI)掺杂剂,制备了BT@PA
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陶瓷/聚合物基复合材料拥有高的耐压强度和低的介电损耗,在电子产品的微型化、集成化以及功能性发展方面具有很大潜力,但介电常数低。为解决这一问题,同时改善击穿强度和介电损耗,以陶瓷为核,特别是以钛酸钡(BT)为核的核壳填料的开发受到广泛地关注。制备核壳填料往往需要对陶瓷进行表面修饰,如何减少环境污染隐患也是需要考虑的问题。本文以苹果酸同时作为钛酸钡表面修饰剂和聚苯胺(PANI)掺杂剂,制备了BT@PANI核壳粒子,并以此为填料获得介电性能理想的聚偏氟乙烯基高介电复合材料。在此基础上,分别通过在壳层负载第二组分,即银(Ag)和四氧化三铁(Fe3O4),以调控复合材料的介电损耗,并探索了多相复合材料的介电机理。主要研究内容和研究结果如下:(1)以苹果酸同时作为钛酸钡的表面修饰剂和聚苯胺掺杂剂,采用原位聚合法制备了BT@PANI核壳粒子,并以此为填料制备了PVDF基高介电复合材料。结果表明,BT@PANI粒子核壳结构特征明显,随着苯胺(An)与BT质量比的增加,壳层厚度增加且局部出现PANI增厚的现象。当An与BT质量比为0.5:1时,壳层厚度均匀,以此为填料制备的BT@PANI/PVDF复合材料,在40 wt%时出现了渗流阈值,此时介电常数和介电损耗分别是176和19.57(100 Hz),122和3.13(10~3Hz)。当填充量为30 wt%时,复合材料介电常数和介电损耗分别为43和0.57(100 Hz),31和0.31(10~3Hz),表现出高的介电常数和较低的介电损耗。在10~3~10~6 Hz范围内,介电性能表现出良好的频率依赖性。复合材料优良的介电性能可以归因于苹果酸掺杂的PANI壳层电导率比质子酸的低,使BT@PANI/PVDF复合材料在实现了界面极化、钛酸钡自极化和微电容等多重介电机制的同时,有效地抑制了漏导损耗。(2)为了抑制介电损耗,采用外加还原剂法在PANI壳层上原位合成了银(Ag)纳米粒子,制备了双组分壳层BT@PANI-Ag核壳粒子。结果表明,双组分壳层结构特征明显,Ag粒径约20 nm。随着PANI@BT与硝酸银(Ag NO3)的质量比增加,复合材料的介电常数增加,当BT@PANI与Ag NO3为1:2时,,BT@PANI@Ag/PVDF复合材料(30 wt%)的介电性能随频率变化而不稳定。在10~3Hz时,BT@PANI与Ag NO3为1:1时,介电常数和损耗值分别约为28和0.15。与BT@PANI/PVDF复合材料比较,介电常数略有下降,但介电损耗降低了2倍多。(3)为了抑制介电损耗,利用氧化沉淀法制备了双组分壳层BT@PANI-Fe3O4核壳粒子。结果表明,双组分壳层结构特征明显,随着Fe3O4含量增加,核壳填料磁性增加,BT@PANI-Fe3O4/PVDF(10 wt%)复合材料的介电常数逐渐增大,但当Fe3O4含量低时,该值低于BT@PANI/PVDF;介电损耗则呈现增大的趋势,在2×10~3 Hz之后都明显低于BT@PANI/PVDF,范围在0.04~0.12之间。此外,介电性能随频率的稳定性改善。当硫酸亚铁铵与BT@PANI核壳粒子的质量比为0.6:1时,BT@PANI/BT@PANI-Fe3O4/PVDF复合材料,两种填料的填充量分别为30 wt%和10 wt%时,介电常数为37.5(10~3Hz)时,损耗仅为0.42,实现了对复合材料介电损耗的调控。
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