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CCTO/PVDF复合薄膜的制备及介电性能研究
作 者: 王芳芳
导 师: 王亚军
学 校: 北京理工大学
专 业: 兵器科学与技术
关键词: 钛酸铜钙 聚偏氟乙烯 介电性能 复合材料 储能密度
分类号:
类 型: 硕士论文
年 份: 2014年
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内容摘要
随着电子、电气行业的高速发展,要求介电材料具有高的介电常数、低的介电损耗、高的储能密度。单一的无机或高分子材料均难以满足使用要求。因此,综合了无机、有机材料性能的无机/聚合物复合材料得到了广泛地研究和应用。这主要是因为这类复合材料性能优越,并且可以满足批量生产过程中高效率、低成本的要求。本文以新型具有巨介电常数的钛酸铜钙(CCTO)为填料颗粒,以具有良好介电、压电性能和良好柔韧性的聚偏氟乙烯(PVDF)为基体,采用溶液混合随后旋转涂覆成膜工艺制备了不同体积分数CCTO/PVDF复合材料。对复合材料进行了扫描电镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)等表征分析,发现复合材料中CCTO陶瓷颗粒在含量低时均匀分布于整个基体中;当含量增大时,陶瓷颗粒出现团聚现象。XRD结果表明材料制备过程中CCTO陶瓷粉体晶型结构未发生变化,而PVDF基体的无规则相增大,结晶度下降。由复合材料的介电性能分析可知,复合材料的介电常数随CCTO填加量的增加而增大,在室温、100Hz、CCTO体积分数为40%时,复合材料介电常数达42,而损耗仅为0.3,储能密度为1.388J·cm-3。为了提高复合材料陶瓷粉体的分散性,采用KH560硅烷偶联剂对CCTO陶瓷粉体进行了表面包覆改性,得到KH560@CCTO颗粒填料,再与PVDF基体复合,制备了KH560@CCTO/PVDF复合材料。结果发现,采用0.5wt%KH560改性效果最好。对KH560@CCTO颗粒进行傅立叶变换红外(FT-IR)分析可知,过量的KH560偶联剂之间脱水形成Si O Si键,在CCTO颗粒表面形成一层厚膜,不利于CCTO颗粒分散于基体中。其SEM表明,0.5wt%KH560改性后的陶瓷颗粒能更好地分散于基体中,分散性明显改善,团聚颗粒减小或团聚现象基本消失。同时,0.5wt%KH560改性后复合材料的介电性能也有所改善,介电常数提高了约20%(100Hz~10MHz),损耗降低了约50%(低频),储能密度提高了约15%。为了进一步提高材料的介电常数,同时保持材料的机械及力学性能,在CCTO/PVDF两相复合材料的基础上,添加导电纳米Ag粉,制备Ag/CCTO/PVDF三相复合材料。结果表明,添加导电Ag粉后,复合材料的介电性能有明显改善。在纳米Ag粉体积分数为17%时,室温、100Hz条件下,复合材料的介电常数高达80,损耗为0.5,储能密度为0.658J·cm-3。研究表明,将具有高介电常数的陶瓷颗粒添加到聚合物基体中制备复合材料是一种能够获得良好综合性能材料的有效方法。
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全文目录
摘要 5-7 Abstract 7-12 重要符号表 12-13 缩略词表 13-14 图序 14-15 表序 15-16 第1章 绪论 16-33 1.1 研究背景和意义 16-17 1.2 高介电陶瓷/聚合物复合材料研究进展 17-25 1.2.1 电介质及其表征 17-20 1.2.1.1 电介质及其极化 17-18 1.2.1.2 电介质的介电性能 18-20 1.2.2 聚合物基复合材料 20-22 1.2.2.1 两相复合材料 20-22 1.2.2.2 三相复合材料 22 1.2.3 高介电聚合物基复合材料介电常数模型 22-25 1.2.3.1 Maxwell-Garnett 模型 23-24 1.2.3.2 Jaysundere-Smith 模型 24 1.2.3.3 Yamada 模型 24-25 1.2.3.4 渗流理论 25 1.3 钛酸铜钙研究进展 25-31 1.3.1 CCTO 巨介电机理 26-27 1.3.2 CCTO 制备技术 27-29 1.3.3 CCTO 介电性能的改善 29-31 1.4 PVDF(聚偏氟乙烯) 31-32 1.5 主要研究内容 32-33 第2章 CCTO/PVDF 复合薄膜的制备及介电性能研究 33-47 2.1 引言 33 2.2 实验 33-37 2.2.1 CCTO/PVDF 复合薄膜的制备 35-37 2.2.2 结构表征及性能测试 37 2.3 结果与讨论 37-45 2.3.1 CCTO/PVDF 复合薄膜微观形貌分析(SEM) 37-39 2.3.2 CCTO/PVDF 复合薄膜晶体结构分析(XRD) 39-40 2.3.3 CCTO/PVDF 复合薄膜的介电性能 40-43 2.3.4 实验结果与理论模型的对比分析 43-44 2.3.5 CCTO/PVDF 复合薄膜耐压强度及储能密度 44-45 2.4 本章小结 45-47 第3章 KH560@CCTO/PVDF 复合薄膜的制备及介电性能研究 47-58 3.1 引言 47 3.2 实验 47-50 3.2.1 KH560@CCTO/PVDF 复合薄膜的制备 48 3.2.2 结构表征及性能测试 48-50 3.3 结果与分析 50-56 3.3.1 KH560@CCTO 红外分析(FT-IR) 50-51 3.3.2 KH560@CCTO 复合薄膜微观形貌分析(SEM) 51-53 3.3.3 KH560@CCTO 复合薄膜晶体结构分析(XRD) 53-54 3.3.4 KH560@CCTO/PVDF 复合薄膜介电性能 54-56 3.3.5 KH560@CCTO/PVDF 复合薄膜耐压强度及储能密度 56 3.4 本章小结 56-58 第4章 Ag/PVDF 复合薄膜的制备及介电性能研究 58-65 4.1 引言 58 4.2 实验 58-59 4.2.1 Ag/PVDF 复合薄膜的制备 58-59 4.2.2 结构表征及性能测试 59 4.3 结果与分析 59-64 4.3.1 Ag/PVDF 复合薄膜微观形貌分析(SEM) 59-60 4.3.2 纳米 Ag/PVDF 复合薄膜介电性能 60-62 4.3.3 最佳纳米 Ag 粉量的确定 62-63 4.3.4 Ag/PVDF 复合薄膜耐压强度及储能密度 63-64 4.4 本章小结 64-65 第5章 Ag/CCTO/PVDF 复合薄膜的制备及介电性能研究 65-72 5.1 引言 65 5.2 实验 65-67 5.2.1 Ag/CCTO/PVDF 复合薄膜的制备 65-66 5.2.2 结构表征及性能测试 66-67 5.3 结果及分析 67-71 5.3.1 Ag/CCTO/PVDF 复合薄膜微观形貌分析(SEM) 67-68 5.3.2 Ag/CCTO/PVDF 复合薄膜晶体结构分析(XRD) 68-69 5.3.3 Ag/CCTO/PVDF 复合薄膜介电性能分析 69-70 5.3.4 Ag/CCTO/PVDF 复合薄膜耐压强度及储能密度 70-71 5.4 本章小结 71-72 第6章 结论与展望 72-74 6.1 主要结论和创新点 72-73 6.2 展望 73-74 参考文献 74-78 攻读学位期间发表论文与研究成果清单 78-79 致谢 79
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