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渗流型β相聚偏氟乙烯基复合厚膜材料的制备和介电性能研究

作　者: 陈倩
导　师: 杜丕一
学　校: 浙江大学
专　业: 材料学
关键词: 渗流效应聚偏氟乙烯介电性能渗流阈值乙炔黑
分类号: TB43
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

随着电力电子设备发展的日新月异，高储能电容器向多功能，小型化的方向发展。高介电常数的柔性聚合物基电介质复合材料在电子工业领域可能有广泛的应用前景，它可以被用来制作具有任意形状的多层片式电容器，因此提高电介质材料的介电常数具有非常重要的意义。根据渗流理论，对于导体/聚合物复合材料，当导体的体积分数逼近渗流阈值时，复合材料的介电常数将发生非线性变化且大幅提高。因此，渗流理论对于制备高介电常数聚合物基复合材料是十分有意义的。本文利用渗流理论，研究了以聚偏氟乙烯（PVDF）柔性聚合物与聚偏氟乙烯/钛酸钡为基体，成本低廉的乙炔黑粉末作为填料制备的复合厚膜的微结构和介电性能。以DMF为溶剂，采用浸渍提拉法制备了PVDF厚膜，PVDF/AB复合厚膜，PVDF/BT复合厚膜，PVDF/BT/AB复合厚膜，利用XRD和SEM等手段对材料的物相组成和微结构进行了分析，利用阻抗分析仪等仪器对材料的介电性能进行了研究。研究结果表明，在较低温度下（60℃），由于基板的诱导作用，得到的PVDF厚膜呈β相结构，其介电常数比较高。热处理时间对其晶相的形成，晶相的含量和介电性能均无影响。当乙炔黑的体积分数在f=1.3％附近，亦即处于渗流阈值附近时，PVDF/AB复合厚膜呈现显著的渗流效应，材料的介电常数大幅度提高，介电常数达到56左右，是PVDF基体的7～8倍。在复合体系中，由于乙炔黑具有长条形链状结构，比球形颗粒更易相互连接形成渗流通路，其渗流阈值明显低于典型渗流阈值。此超低的渗流阈值，即极少的无机粒子添加量即可保证复合厚膜良好的弹性和加工性能。此外，PVDF/AB复合厚膜的介电损耗在渗流阈值附近保持在0.15以下可能是由于复合体系中的非晶相的存在。在低频下，PVDF/AB复合厚膜的介电常数并不随着频率的变化而变化，这表明了在复合体系中并不存在空间电荷极化效应。研究结果还表明，当钛酸钡体积分数等于30％，PVDF/BaTiO₃（BT）复合厚膜介电常数最大。当BaTiO₃体积分数小于30％，复合材料的介电常数随BaTiO₃体积分数的变化趋势与Maxwell-Garnett方程计算出的理论值相符；而当BaTiO₃体积分数大于30％时，复合材料的介电常数随BaTiO₃体积分数增加而下降，与Bruggemant方程计算理论值不相符。这是因为随着BT的含量的增加，PVDF不能很好结晶，复合厚膜的微观结构也出现较大孔洞，材料彻底失去弹性。在渗流阈值(f_AB=3.3％)附近，PVDF/BT(f_BT=30％)/AB复合厚膜的介电常数达到了652，是PVDF/BT基体的40多倍，是PVDF基体的90多倍。使用硅烷偶联剂KH550对BaTiO₃粒子表面处理，能有效解决BaTiO₃粒子在前驱体悬浊液中的沉降导致复合厚膜中BaTiO₃粒子分布不均和不稳定的问题，一定程度上改善了纳米BaTiO₃粒子的团聚现象，可以提高PVDF/BT/AB复合厚膜的介电常数。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
前言  10-12
第一章绪论  12-35
  1.1 引言  12
  1.2 聚合物电介质材料  12-20
    1.2.1 聚合物基电介质材料概述  12-14
    1.2.2 聚合物基复合材料的介电常数方程  14-16
    1.2.3 聚偏氟乙烯的结构  16-19
    1.2.4 β-聚偏氟乙烯的制备工艺  19-20
  1.3 渗流理论  20-29
    1.3.1 渗流理论概述  20-22
    1.3.2 临界体积分数f_c(渗流阈值)  22-26
    1.3.3 渗流理论模型  26-27
    1.3.4 渗流理论的应用  27-29
  1.4 渗流型聚合物基复合材料  29-32
    1.4.1 渗流型聚合物基复合材料的研究进展  30-32
    1.4.2 渗流型聚合物基复合材料的制备方法  32
  1.5 渗流型聚合物基复合厚膜材料的研究现状和存在问题  32-33
  1.6 本课题的研究目的和科学意义  33-35
第二章实验方法  35-41
  2.1 原料及设备  35-38
    2.1.1 实验原材料  35-37
    2.1.2 实验设备与器材  37-38
  2.2 实验过程  38-39
    2.2.1 基板的清洗工艺  38
    2.2.2 钛酸钡的表面处理  38-39
    2.2.3 前驱体溶液的制备  39
    2.2.4 厚膜制备  39
  2.3 分析测试仪器与方法  39-41
    2.3.1 X射线衍射(XRD)  39-40
    2.3.2 透射电子显微镜(TEM)  40
    2.3.3 场发射扫描电镜(SEM)  40
    2.3.4 介电性能测试  40-41
第三章 PVDF及PVDF基复合厚膜的制备研究  41-65
  3.1 引言  41-42
  3.2 PVDF厚膜的制备研究  42-46
    3.2.1 实验原料和过程  42
    3.2.2 结果与讨论  42-46
  3.3 PVDF/AB复合厚膜的制备研究  46-50
    3.3.1 实验原料和过程  46-47
    3.3.2 结果与讨论  47-50
  3.4 PVDF/BaTiO_3复合厚膜制备研究  50-57
    3.4.1 实验原料和过程  50
    3.4.2 结果与讨论  50-57
  3.5 PVDF/BaTiO_3/AB复合厚膜的制备研究  57-63
    3.5.1 实验原料和过程  57-58
    3.5.2 结果与讨论  58-63
  3.6 本章小结  63-65
第四章 PVDF/AB两相复合厚膜的介电性能研究  65-78
  4.1 引言  65-66
  4.2 基体(PVDF)厚膜的介电性能研究  66-70
    4.2.1 热处理温度对基体(PVDF)厚膜介电性能的影响  66-69
    4.2.2 热处理时间对基体(PVDF)厚膜介电性能的影响  69-70
  4.3 PVDF/AB两相复合厚膜的介电性能研究  70-76
    4.3.1 PVDF/AB两相复合厚膜的介电性能的渗流理论分析  70-72
    4.3.2 PVDF/AB两相复合厚膜的超低渗流阈值  72-73
    4.3.3 PVDF/AB两相复合厚膜超低介电损耗  73-75
    4.3.4 PVDF/AB两相复合厚膜的介电常数的频率依赖性  75-76
  4.4 本章小结  76-78
第五章 PVDF/BaTiO_3-AB三相复合厚膜的介电性能研究  78-90
  5.1 引言  78-79
  5.2 基体(PVDF/BaTiO_3)复合厚膜的介电性能研究  79-84
  5.3 PVDF/BaTiO_3-AB三相复合厚膜的的介电性能研究  84-86
  5.4 表面处理对PVDF/BaTiO_3-AB复合厚膜的介电性能的影响  86-89
  5.5 本章小结  89-90
第六章结论  90-93
参考文献  93-102
附录:硕士研究生期间发表的论文及专利清单  102-103
致谢  103

渗流型β相聚偏氟乙烯基复合厚膜材料的制备和介电性能研究

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