一種鐵鈦鈮/聚偏氟乙烯高介電復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鐵鈦銀/聚偏氟乙稀高介電復(fù)合材料及其制備方法，該介電復(fù)合材料 特別適用于嵌入式電容器等電子器件，屬于介電復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 高技術(shù)領(lǐng)域需要新的高介電常數(shù)材料，尤其是功能化的復(fù)合材料需要同時具有高 的介電常數(shù)以及良好的加工性能以實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的便利性?；趥鹘y(tǒng)的協(xié)同原理，結(jié)合 陶瓷和聚合物各自的優(yōu)勢，將具有高介電常數(shù)、低損耗的陶瓷材料和高擊穿場強、良好加工 性能的聚合物材料通過適當(dāng)?shù)姆椒ㄒ约氨壤龔?fù)合，所得復(fù)合材料可以同時改善陶瓷材料的 力學(xué)性質(zhì)和提升聚合物材料的介電性能，滿足嵌入式電容器等電子元器件的制造需求。
[0003] 目前，制備良好性能的陶瓷/聚合物高介電復(fù)合材料通常選擇的無機填料主要是 具有高介電常數(shù)的鈦酸鉛（PbTiO3)體系和鈦酸鋇（BaTiO3)體系。但是，鉛基陶瓷及其與 聚合物復(fù)合材料中含有的重金屬元素鉛會給人類健康和生態(tài)環(huán)境造成嚴重損害，很多國家 已經(jīng)出臺法律限制甚至禁止使用含鉛電子材料。因此近幾年，無鉛電介質(zhì)材料一直是人們 關(guān)注的熱點，各種新體系的研宄和開發(fā)都取得了快速的進步。2013年，Wang. H等人對介電 陶瓷/有機聚合物復(fù)合材料作了研宄，在BaTiO3體積分數(shù)為40vol. %制備出了介電常數(shù) 為50的BaTi03/PVDF復(fù)合材料，但是對于實用化嵌入式電容器而言，材料的介電常數(shù)仍然 偏低。同時，BaTiO^居里溫度只有120°C，限制了材料的溫度使用范圍（Journal of the American Ceramic Society，2013 年，96卷，第8期，2519-2524 頁）〇

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中有機無機復(fù)合材料介電常數(shù)偏低的問題，進一 步提高聚偏氟乙烯的介電性能，并提供了一種介電常數(shù)高、制備工藝簡單、綠色環(huán)保的高介 電常數(shù)聚合物基復(fù)合材料及其制備方法。
[0005] -種鐵鈦鈮/聚偏氟乙烯高介電復(fù)合材料，將鐵鈦鈮復(fù)合到聚偏氟乙烯中，鈦鈮 顆粒尺寸為400~600nm，鐵鈦鈮與聚偏氟乙烯體積比為2 : 8~4 : 6。
[0006] 本發(fā)明所提供的一種鐵鈦鈮/聚偏氟乙烯高介電復(fù)合材料的制備方法，包括以下 步驟：
[0007] 1)按照鐵鈦鈮與聚偏氟乙烯體積比為2 : 8~4 : 6,通過計算后稱取原料鐵鈦 銀和聚偏氟乙稀粉體，其中鐵鈦銀顆粒尺寸為400~600nm。將聚偏氟乙稀加入N, N-二甲 基甲酰胺（DMF)中，超聲20~40min，攪拌20~30min使聚偏氟乙烯完全融入N, N-二甲基 甲酰胺中，得到聚偏氟乙烯的透明溶液A ;
[0008] 2)將已稱量的鐵鈦鈮加入到透明溶液A中，超聲20~40min，把得到的懸濁液倒 入去離子水中，置于烘箱中，在80~120°C下烘干，即可得到鐵鈦鈮/聚偏氟乙烯復(fù)合材料 B，其中鐵鈦銀與聚偏氟乙稀體積比為2 : 8~4 : 6;
[0009] 3)將鐵鈦鈮/聚偏氟乙烯復(fù)合材料B放入熱壓模具中，然后將模具放在粉末壓片 機上，在溫度為180~200°C、壓力為10~25MPa、時間為5~15min熱壓成型，得到介電常 數(shù)較高、柔韌性好的鐵鈦鈮/聚偏氟乙烯復(fù)合材料。
[0010] 與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0011] 本發(fā)明方法克服了【背景技術(shù)】中復(fù)合材料體系介電常數(shù)偏低的問題，得到的鐵鈦鈮 /聚偏氟乙烯電介質(zhì)復(fù)合材料同時具有高介電常數(shù)和較好的柔韌性能。同時，本發(fā)明操作方 法簡單，制備周期短，能耗和成本低，污染少。
【附圖說明】
[0012] 采用德國Bruker公司D8_Advance型X射線衍射儀測定樣品的相結(jié)構(gòu)，Hitachi S- 4800掃描電子顯微鏡測定所制備材料的顯微形貌。采用寬頻介電阻抗分析儀 (Novocontrol Technologies,德國）在IOOHz~IOMHz測試復(fù)合材料的介電常數(shù)和介電損 耗。
[0013] 圖1 :鐵鈦鈮/聚偏氟乙烯電介質(zhì)復(fù)合材料的X射線衍射圖。
[0014] 圖2 :鐵鈦鈮/聚偏氟乙烯電介質(zhì)復(fù)合材料的掃描電鏡圖。
[0015] 圖3 :鐵鈦鈮/聚偏氟乙烯電介質(zhì)復(fù)合材料的介電常數(shù)。
[0016] 圖4 :鐵鈦鈮/聚偏氟乙烯電介質(zhì)復(fù)合材料在室溫，IOOHz下不同鐵鈦鈮體積分數(shù) 的介電常數(shù)。
[0017] 其中，圖1~4中PVDF為對比例純聚偏氟乙烯；a，b，c分別代表具體實施例中的 得到鐵鈦銀/聚偏氟乙稀電介質(zhì)復(fù)合材料a，b，c。
【具體實施方式】
[0018] 下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步說明，但本發(fā)明并不限于以下實施例。
[0019] 實施例1
[0020] 1)按照鐵鈦鈮與聚偏氟乙烯體積比為2 : 8,通過計算后稱取原料鐵鈦鈮和聚偏 氟乙烯粉體，其中鐵鈦鈮顆粒尺寸為500nm。將聚偏氟乙烯加入N，N-二甲基甲酰胺中，超聲 30min，使聚偏氟乙烯完全融入N，N-二甲基甲酰胺中，得到聚偏氟乙烯的透明溶液A ;
[0021] 2)將已稱量的鐵鈦鈮加入到透明溶液A中，超聲30min，把得到的懸濁液倒入去離 子水中，置于烘箱中，在l〇〇°C下烘干，即可得到鐵鈦鈮/聚偏氟乙烯復(fù)合材料B，其中鐵鈦 銀與聚偏氟乙稀體積比為2 : 8;
[0022] 3)將鐵鈦鈮/聚偏氟乙烯復(fù)合薄膜B放入熱壓模具中，然后將模具放在壓片機上， 在溫度為200°C、壓力為20MPa、時間為IOmin熱壓成型，自然冷卻，得到得到鐵鈦鈮體積分 數(shù)為20vol. %的鐵鈦銀/聚偏氟乙稀電介質(zhì)復(fù)合材料a。
[0023] 實施例2
[0024] 1)按照鐵鈦鈮與聚偏氟乙烯體積比為3 : 7,通過計算后稱取原料鐵鈦鈮和聚偏 氟乙烯粉體，其中鐵鈦鈮顆粒尺寸為500nm。將聚偏氟乙烯加入N，N-二甲基甲酰胺中，超聲 30min，使聚偏氟乙烯完全融入N，N-二甲基甲酰胺中，得到聚偏氟乙烯的透明溶液A ;
[0025] 2)將已稱量的鐵鈦鈮加入到透明溶液A中，超聲30min，把得到的懸濁液倒入去離 子水中，置于烘箱中，在l〇〇°C下烘干，即可得到鐵鈦鈮/聚偏氟乙烯復(fù)合材料B，其中鐵鈦 銀與聚偏氟乙稀體積比為3 : 7;
[0026] 3)將鐵鈦鈮/聚偏氟乙烯復(fù)合薄膜B放入熱壓模具中，然后將模具放在壓片機上， 在溫度為200°C、壓力為20MPa、時間為IOmin熱壓成型，自然冷卻，得到得到鐵鈦鈮體積分 數(shù)為30vol. %的鐵鈦銀/聚偏氟乙稀電介質(zhì)復(fù)合材料b。
[0027] 實施例3
[0028] 1)按照鐵鈦鈮與聚偏氟乙烯體積比為4 : 6,通過計算后稱取原料鐵鈦鈮和聚偏 氟乙烯粉體，其中鐵鈦鈮顆粒尺寸為500nm。將聚偏氟乙烯加入N，N-二甲基甲酰胺中，超聲 30min，使聚偏氟乙烯完全融入N，N-二甲基甲酰胺中，得到聚偏氟乙烯的透明溶液A ;
[0029] 2)將已稱量的鐵鈦鈮加入到透明溶液A中，超聲30min，把得到的懸濁液倒入去離 子水中，置于烘箱中，在l〇〇°C下烘干，即可得到鐵鈦鈮/聚偏氟乙烯復(fù)合材料B，其中鐵鈦 銀與聚偏氟乙稀體積比為4 : 6;
[0030] 3)將鐵鈦鈮/聚偏氟乙烯復(fù)合薄膜B放入熱壓模具中，然后將模具放在壓片機上， 在溫度為200°C、壓力為20MPa、時間為IOmin熱壓成型，自然冷卻，得到鐵鈦鈮體積分數(shù)為 40vol. %的鐵鈦銀/聚偏氟乙稀電介質(zhì)復(fù)合材料c。
[0031] 對比例
[0032] 1)將聚偏氟乙烯加入N，N-二甲基甲酰胺中，超聲30min，使聚偏氟乙烯完全融入 N，N-二甲基甲酰胺中，得到聚偏氟乙烯的透明溶液A ;
[0033] 2)把得到的透明溶液A倒入去離子水中，置于烘箱中，在KKTC下烘干，即可得到 聚偏氟乙稀材料；
[0034] 3)將聚偏氟乙烯材料放入熱壓模具中，然后將模具放在壓片機上，在溫度為 200°C、壓力為20MPa、時間為IOmin熱壓成型，自然冷卻，得到聚偏氟乙烯。
[0035] 由圖1可以看出鐵鈦鈮/聚偏氟乙烯復(fù)合材料a，b，c的XRD圖中包含了鐵鈦鈮以 及聚偏氟乙烯的相，而由于后者為半結(jié)晶聚合物，峰強較弱。
[0036] 由圖2可以看出鐵鈦鈮與聚偏氟乙烯復(fù)合材料a，b，c中鐵鈦鈮顆粒與聚合物基體 結(jié)合良好，沒有氣孔以及明顯的缺陷，證明實驗方法有效。
[0037] 由圖3可以看出鐵鈦鈮與聚偏氟乙烯復(fù)合材料a，b，c相較于對比例聚偏氟乙烯 (介電常數(shù)為12)，介電常數(shù)均有較大提升。在室溫下100Hz，測得復(fù)合材料b(30vol. %)的 介電常數(shù)為85,顯著高于具有相似填料濃度33vol. %的CCT0/PVDF復(fù)合材料（100Hz，介電 常數(shù)45)。此外，IOOHz下，鐵鈦鈮/聚偏氟乙烯復(fù)合材料在鐵鈦鈮體積分數(shù)為40vol. %時， 介電常數(shù)達到181，顯著優(yōu)于填料濃度相似的其它無機有機復(fù)相材料，如CCTO/聚酰亞胺復(fù) 合材料，其介電常數(shù)在CCTO體積分數(shù)為40vol. %時接近50 (常溫下，100Hz);如BaTiO3/聚 偏氟乙烯復(fù)合材料，其最佳組分復(fù)合材料的介電常數(shù)在BaTiO3體積分數(shù)為40vol. %時接近 55 (常溫下，100Hz)。因此，巨介電材料鐵鈦鈮作為一種新的有機無機復(fù)合材料的填料對于 發(fā)展高性能嵌入式電容器具有重要的前景。
[0038]

【主權(quán)項】
1. 一種鐵鈦鈮/聚偏氟乙烯高介電復(fù)合材料，其特征在于，將鐵鈦鈮復(fù)合到聚偏氟乙 烯中，鈦鈮顆粒尺寸為400~600nm，鐵鈦鈮與聚偏氟乙烯體積比為2 : 8~4 : 6。2. -種制備鐵鈦鈮/聚偏氟乙烯高介電復(fù)合材料的方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 按照鐵鈦鈮與聚偏氟乙烯體積比為2 : 8~4 : 6,通過計算后稱取原料鐵鈦鈮和 聚偏氟乙稀粉體，其中鐵鈦銀顆粒尺寸為400~600nm;將聚偏氟乙稀加入N,N-二甲基甲 酰胺（DMF)中，超聲20~40min，攪拌20~30min使聚偏氟乙烯完全融入N,N-二甲基甲酰 胺中，得到聚偏氟乙烯的透明溶液A; 2) 將已稱量的鐵鈦鈮加入到透明溶液A中，超聲50~60min，在50°C攪拌3~4小時， 把得到的懸濁液倒入去離子水中，置于烘箱中，在80~120°C下烘干，即可得到鈮酸鉀/聚 偏氟乙烯復(fù)合材料B，其中鐵鈦鈮與聚偏氟乙烯體積比為2 : 8~4 : 6; 3) 將鐵鈦鈮/聚偏氟乙烯復(fù)合材料B放入熱壓模具中，然后將模具放在壓片機上，在溫 度為180~200°C、壓力為10~25MPa、時間為5~15min熱壓成型，得到介電常數(shù)較高、柔 韌性好的鐵鈦鈮/聚偏氟乙烯復(fù)合材料。
【專利摘要】一種鐵鈦鈮/聚偏氟乙烯高介電復(fù)合材料及其制備方法，屬于介電復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域。按一定體積比分別稱取鐵鈦鈮和聚偏氟乙烯粉體，先把聚偏氟乙烯加入N,N-二甲基甲酰胺中超聲，并加熱攪拌，使聚偏氟乙烯完全融入N,N-二甲基甲酰胺中；然后把鐵鈦鈮粉體加入聚偏氟乙烯中超聲攪拌，把得到的懸濁液倒入玻璃皿中，烘干。把鐵鈦鈮/聚偏氟乙烯復(fù)合薄膜放入熱壓模具中，用粉末壓片機進行壓片，即可得到鐵鈦鈮/聚偏氟乙烯高介電復(fù)合材料。本發(fā)明方法制備的鐵鈦鈮/聚偏氟乙烯電介質(zhì)復(fù)合材料同時具有較高的介電常數(shù)和較好的加工性能，特別適用于嵌入式電容器等電子器件。同時，本發(fā)明操作方法簡單，制備周期短，能耗和成本低，污染少。
【IPC分類】B29C43/58, C08L27/16, C08K3/22
【公開號】CN104927254
【申請?zhí)枴緾N201510395538
【發(fā)明人】侯育冬, 付靖, 韋俏伊, 鄭木鵬, 朱滿康, 嚴輝
【申請人】北京工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年9月23日
【申請日】2015年7月7日