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复合型聚合物基介电材料的研究进展 0 wyzhou2004 陶瓷电介材料具有许多可用于使用的性质，如铁电、压电、热释、铁弹性、光弹性、电致伸长和非线性光学性能等。高介电常数的材料意味着具有很好的储存电能和均匀电场的性能,可更好地应用于小体积、大容量的微型电容器、电子计算机记忆元件、热敏电阻等器件中。虽然陶瓷电介质具有很高的介电常数,却具有成型温度高、易脆等缺点,使其应用受到限制。聚合物具有良好的力学性能、优良的冲击性能、良好的电绝缘性、低介电损耗、优越的加工性能以及低成本等优势,然而,其介电常数低。因此,将陶瓷联系人,wyzhou2004@163.com 介电体或导电微粒同聚合物复合,所制备的聚合物基介电材料具有高介电常数、低介电损耗、力学性能好、成型加工容易等特点,在很多应用场合有逐步取代陶瓷介电材料的趋势。这类高介电常数高分子电介质已成为当今高新技术的支撑材料,具有非常广泛的应用前景和重要的用途,目前引起广泛的研究、关注和竞相开发。本文简要介绍了电介质的概念、极化方式,详述了目前各类高介电常数聚合物基介电材料的研究进展。 1 电化学性能是一种电极 电介质是指在电场下能在电介质材料内部建立极化的一切物质。从广义上讲,电介质不仅包括绝缘体,还包括能够将力、热、光、温度、射线、化学及生物等非电量转化为电信息的各种功能材料,甚至还包括电解质和金属材料。电介质的特征是以正、负电荷重心不重合的电极化方式传递、存储和记录电的作用和影响。电介质在电场下最主要的电特性是电导和极化,极化是电介质中电荷(束缚在分子或局部空间中不能完全自由运动的电荷及自由电荷)在电场中作微小位移(自由电荷移至界面与电极表面)或受限的大尺度位移,而在电介质表面(或界面)产生束缚电荷的物理过程。 在微观上,电介质的极化主要有3种基本形式:(1)材料中原子核外电子云畸变产生的电子极化;(2)分子中正负离子相对位移造成的离子极化;(3)分子固有电矩在外电场作用下转动导致的转向极化。此外,还有空间电荷极化、带有电矩的基团极化以及界面极化。 2 高话题、高颗粒、高烯基材料的科学研究 复合材料既可以保持各组分的部分功能,又可以产生某些新性能。制备高介电常数高分子复合材料的无机粒子主要分3类:陶瓷、碳类和金属粒子。 2.1 陶瓷颗粒 铁电陶瓷具有极高的介电常数,将铁电陶瓷与聚合物复合可综合二者的优点,制备出高介电常数的高分子介电材料。 2.1.1 pi/baol纳米复合材料薄膜的制备及性能 钛酸钡(BaTiO3)是性能优异、应用广泛的铁电陶瓷材料,可用于聚合物改性以提高材料的介电常数。 聚偏二氟乙烯(PVDF)是半结晶性含氟聚合物,具有较高的介电常数(10~14),常用来做薄膜电容器材料。Kobayashi等制备了纳米BaTiO3粒子改性PVDF复合材料,当纳米BaTiO3的含量为30 %(体积分数,下同)时,复合材料的介电常数高达30以上,介电损耗低于0.05。Dang等采用热压工艺制备出高介电常数PVDF/BaTiO3纳米复合材料。 聚酰亚胺(PI)具有优良的耐高温性能、力学性能以及低介电常数和介电损耗。Xie等通过溶胶法制备了100 nm的PI/BaTiO3纳米复合材料薄膜,当填料含量为50 %时,在10 kHz下复合材料的介电常数和介电损耗分别为35和0.0082。Devaraju等用原位法制备了PI/BaTiO3纳米复合材料薄膜,1 kHz时的介电常数达到125,在1~1000 kHz的频率范围内其介电常数不随频率变化。 环氧树脂的介电常数较低(约3~4), 用BaTiO3填充环氧树脂可以显著提高其介电常数。Kuo等将BaTiO3添加到环氧树脂中,得到介电常数为50左右的复合材料。填料颗粒大小、偶联剂种类以及用量对介电性能的影响显著。Dang等研究了不同粒径的亚微米级BaTiO3填充环氧树脂体系的介电性能,结果表明,BaTiO3直径为0.7 μm的体系的介电常数高于BaTiO3直径为0.1 μm体系的,硅烷偶联剂处理提高了体系的介电常数。Cheng等研究了高频下(1~1000 MHz)环氧树脂/BaTiO3体系的介电性能,发现在1 GHz下,材料的介电常数高达13.1。界面状态对环氧树脂/BaTiO3体系的微观结构有重要影响,偶联剂可以使填料粒子在基体中的均匀分散性提高,从而影响其介电性能。此外,氰酸酯、聚乙烯吡咯烷酮等树脂与BaTiO3复合也可制得高介电常数的高性能聚合物介电体。Kobayashi等研究了高含量聚乙烯吡咯烷酮/BaTiO3薄膜的制备及介电性能,表明当BaTiO3含量为85 %(质量分数)时,体系的介电常数高达30,介电损耗低至0.12。Chao等研究了氰酸酯/BaTiO3体系的介电性能,当填料含量为60 %(质量分数)时,1 MHz下体系的介电常数