BaTiO3基铁电粉末有机/无机复合材料及介电性能

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钛酸钡·(BaTiO3,BT)基铁电粉末为填料的有机/无机复合材料由于铁电体粉末优异的功能特性和有机物的轻便柔性受到了广泛关注而得到了深入研究。然而,由于有机物的加入,BT基材料的功能特性,如高的介电常数会迅速降低,因此使其应用受到了极大限制。本研究立足于研究不同BT基粉末(包括粉末的颗粒大小、组成和是否半导化)与不同的有机物基体进行复合,研究其复合材料的制备工艺、粉末的特性及有机物基体之间的相互关联性,从而优选出具有高介电性能的复合材料。环氧树脂(EP)是一种通用的有机/无机复合材料基体,在电子线路中作为粘合剂获得广泛应用,对电子线路系统具有良好的兼容性。因此,做为首选基体材料做了研究。然而,由于它是非铁电材料,使复合材料的介电性能大幅度降低。获得的复合材料室温介电常数不超过100。为了进一步提高介电性能,在EP中加入具有铁电性的有机大分子盐二异丙基溴化铵(DIPAB),这样不仅可以保持复合材料的轻便柔性,同时使得基体材料性能提高,如当EP.和DIPAB质量比为1:1时介电常数为34.6,约为环氧树脂的10倍,是DIPAB(400Hz,~85)的一半。在此基础上,以质量比为1:1EP/DIPAB的功能体为基体,分别引入采用常温直接合成法制备得到的BT粉体(常温和经不同温度预烧的纳米粉体)作为第三组分,通过溶液共混和冷压成型工艺制备了EP/DIPAB/BT三相复合材料。结果表明,复合材料的介电性能不仅与其中高介电常数的无机陶瓷的含量有关,还与BT的处理温度相关。与两相复合材料EP/DIPAB和EP/BT的介电常性能相比,EP/DIPAB/BT三相复合材料显著的提高了材料的介电性能,如1100℃预烧的BT与EP/DIPAB进行复合,材料的介电常数达到2200,此时的介电损耗只有2。这是由于在三元系中,引入了新的界面,形成空间电荷层,从而使复合材料介电性能大幅度提高。BT是最为基本的陶瓷材料,利用移峰效应在其中引入Sr降低居里温度制备了具有铁电性的钛酸锶钡(BST)粉体,采用常温直接合成法制得的BST常温粉体和预烧后的粉体代替BT研究了 EP/DIPAB/BST复合材料的介电性能。结果表明,BST的引入确实使复合材料的介电常数得到普遍的提高,950℃ BST/EP/DIPAP复合材料的介电常数~2040 是 950℃ BT/EP/DIPAB~420 的5倍。环氧树脂作为基质,其介电常数低,而且在复合材料的制备过程中难清洗且固化过程不可避免会产生难以排出的气孔,导致介电常数的下降和介电损耗的增大。所以尝试采用具有铁电性且易加工的柔性有机材料PVDF代替环氧树脂制备两相及三相复合材料。质量比1:1的PVDF/DIPAB复合材料介电常数为10,再以质量比1:1PVDF/DIPAB为基体,制备三相复合材料,结果表明,PVDF/DIPAB/BT介电常数较DIPAB/PVDF和PVDF/BT两相材料的介电常数相比有极大的提高,不论是常温BT还是高温烧结BT复合,复合材料的介电常数都>105,而且950℃和1100℃BT复合材料的介电损耗<(?)。用B3T代替ET掺入PVDF/DIPAB的基体进行复合,其介电常数量级与BT复合材料相当,在室温附近时介电常数达到105,介电损耗最大<10。在PVDF/DIPAB为基体的BT基铁电粉末为填料的优化的复合材料,其介电常数>105,在于材料中有机、无机组分皆为铁电体,铁电畴与空间电荷相互作用以及铁电体对所施加电场的传递作用,使得复合材料的介电常数大幅度提高。
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