專利名稱：Bi₂S₃-BaTiO₃/PVDF復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超高介電的三相復(fù)合材料及其制備方法， 該材料主要用于制備電容器。
背景技術(shù)：
在電子工業(yè)中，具有高介電常數(shù)的聚合物基復(fù)合材料具有非常廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)于采 用聚合物材料作為電介質(zhì)的電容器而言，其目前所采用的聚合物電介質(zhì)多為聚合物單相材料， 由于聚合物材料自身相對(duì)介電常數(shù)較低， 一般僅為1~3左右，使得由其生產(chǎn)出的電容器電 容密度較低。若釆用具有較高介電常數(shù)的聚合物基復(fù)合材料，則可以在電容器尺寸保持不變 的情況下使電容密度獲得數(shù)十倍乃至上百倍的提高，或者在保持電容密度不變的情況下使得 電容器的尺寸大為減小。對(duì)于增強(qiáng)電器性能、減小器件尺寸以提高電子元器件的集成度而言， 研究開發(fā)具有較高介電常數(shù)的聚合物基復(fù)合材料都具有重要的意義。
依據(jù)滲流理論，當(dāng)導(dǎo)電填料顆粒在聚合物內(nèi)的加入量達(dá)到一個(gè)特定的值時(shí)，填料顆粒之 間會(huì)相互連通，形成一個(gè)電流的通路，從而使材料由介電體變?yōu)閷?dǎo)電體。如果顆粒的加入量 充分的接近滲流閾值則復(fù)合材料的宏觀介電常數(shù)趨近于無(wú)窮大。例如，同樣采用簡(jiǎn)單混合熱 壓工藝，通過將金屬Ni顆粒同鈦酸鋇進(jìn)行復(fù)合，復(fù)合材料的介電常數(shù)達(dá)到IOOO以上，但是需 要在高溫1300。C下煅燒而且其機(jī)械加工性能不好。黨等同樣報(bào)道了CF-BT/PVDF三相復(fù)合 材料，在CF體積分?jǐn)?shù)達(dá)到15G/。時(shí)介電常數(shù)達(dá)到100以上，損耗為0.07,但是CF價(jià)格比較昂 貴，而且介電常數(shù)值也不是太高，不太適合工業(yè)化的生產(chǎn)。 發(fā)明 內(nèi) 容
為了解決傳統(tǒng)介電材料存在的介電常數(shù)低的問題，提供一種Bi2S3-BaTiOs/PVDF復(fù)合 材料，該復(fù)合材料由Bi2S3納米棒、BaTi03、 PVDF組成，其中BaTi03體積分?jǐn)?shù)為20%， Bi2S3的體積分?jǐn)?shù)為3%~12%，其余的為PVDF。優(yōu)選的取BaTi03體積分?jǐn)?shù)為20%, Bi2S3 的體積分?jǐn)?shù)為0.09~0.11 ，其余的為PVDF。
尤其Bi2S3體積分?jǐn)?shù)fBi2s3-ll。/。時(shí)，介電常數(shù)可以達(dá)到1700以上。
本發(fā)明還提供一種制備上述復(fù)合材料的方法，該方法采用簡(jiǎn)單的共混熱壓的方法得到了 高介電、低損耗的三相復(fù)合材料，并且該方法中釆用的原料都是經(jīng)過簡(jiǎn)單合成或是工業(yè)產(chǎn)品， 沒有進(jìn)行任何處理，所以這種復(fù)合材料具有低的成本，適合工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)。具體的制備方 法包括如下步驟步驟一、按照體積百分比/Bi2S3 = 0.03 0.12， /BaTiO3=0.20， /PVDF=0.68 0.77稱取原 材料，將體積分?jǐn)?shù)換成質(zhì)量數(shù)，稱量實(shí)驗(yàn)原料。
步驟二、把稱好的PVDF加入到N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，充分溶解形成透明溶液。
步驟三、把稱好的BaTiOs和Bi2S3粉加到上述溶液中，超聲振蕩20min，使Bi2S3， BaTi03均勻分散在溶液中，形成穩(wěn)定的懸浮液。
步驟四、將懸浮溶液倒入表面皿并置于80 10CTC烘箱烘干，即得到介電薄膜。
步驟五、熱壓上述的介電薄膜并測(cè)試其介電性能。熱壓條件200 22CTC， 9 10MPa， 20 30min。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
(1) 復(fù)合材料的介電常數(shù)很高，最優(yōu)實(shí)施例的介電常數(shù)在頻率100Hz下高達(dá)1700以上， 在整個(gè)測(cè)試頻率范圍介電常數(shù)一直保持在100以上。
(2) 無(wú)機(jī)含量低，使得該復(fù)合材料的機(jī)械加工性能好，可以加工成不同形狀。
(3) 所述的制備方法簡(jiǎn)單，易操作，適合工業(yè)化的生產(chǎn)。
(4) 復(fù)合材料和制備方法的成本低廉。


圖1是室溫下/&233 = 0.03時(shí)復(fù)合材料的介電常數(shù)隨頻率的變化； 圖2是室溫下/Bi2S3 = 0.12時(shí)復(fù)合材料的介電常數(shù)隨頻率的變化； 圖3a是/Bi2S3 = 0.11時(shí)復(fù)合材料的介電常數(shù)隨頻率的變化關(guān)系； 圖3b是/Bi2S3 = 0.11時(shí)復(fù)合材料的介電常數(shù)隨溫度的變化關(guān)系； 圖4是室溫下復(fù)合材料中Bi2S3體積分?jǐn)?shù)/&233與介電常數(shù)的關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的符合材料及其制備方法進(jìn)行詳細(xì)說明。 本發(fā)明提供一種Bi2S3-BaTi03/PVDF復(fù)合材料，該材料由Bi2S3納米棒、BaTiO" PVDF組成，其中BaTiOs體積分?jǐn)?shù)為20%, 81233的體積分?jǐn)?shù)為0.03~0.12，其余的為 PVDF。優(yōu)選的取BaTi03體積分?jǐn)?shù)為20%， Bi2S3的體積分?jǐn)?shù)為0.09 0.11，其余的為 PVDF。
其中BaTi03， PVDF均為工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品，DMF為市售化學(xué)純，所有原料未經(jīng)任何處理。 Bi2S3納米棒是在實(shí)驗(yàn)室用簡(jiǎn)單的水溶液法制備的，具體制備方法為
(1) 稱取5.7gBiCl3加入到24ml去離子水中，攪拌，接著逐滴加入36。/。的HC1直至溶 液變澄清。
(2) 稱8.4g硫化鈉(Na2S'9H20)使其攪拌溶解在15ml去離子水中。(3) 將上述兩種溶液混合，倒入熱壓反應(yīng)釜中，然后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)36^的HC1調(diào)節(jié)溶液 PH=1 2。
(4) 將反應(yīng)釜放在18CTC烘箱反應(yīng)18小時(shí)；然后自然冷卻至室溫，過濾，用水，乙醇充分 洗滌，即得納米棒Bi2S3。
本發(fā)明還提供一種制備上述的Bi2S3-BaTi03/PVDF復(fù)合材料的方法，具體步驟為 步驟一、按照體積百分比/Bi2S3 = 0.03~0.12， /BaTiO3=0.20， /PVDF=0.68 0.77稱取原 材料，將體積分?jǐn)?shù)換成質(zhì)量數(shù)，稱量實(shí)驗(yàn)原料。
步驟二、把稱好的PVDF加入到N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，充分溶解形成透明溶液。
步驟三、把稱好的BaTiO3和Bi2S3加到上述溶液中，超聲振蕩20min,使81233，8&1103
均勻分散在溶液中，形成穩(wěn)定的懸浮液。
步驟四、將懸浮溶液倒入表面皿并置于80 10CTC烘箱烘干，即得到介電薄膜。 步驟五、熱壓上述的介電薄膜并測(cè)試其介電性能。熱壓條件200 220°C， 9 10MPa，
20 30min。
實(shí)施例1 制備體積百分比42S3 = 0.03復(fù)合材料。具體步驟如下
(1) 按照體積百分比41233 = 0.03， /BaTiO3=0.20， /PVDF=0.77，稱取原材料。將體積分 數(shù)換成質(zhì)量數(shù)，各原料分別為0.0790g， 0.3900g， 0.4620g，稱量實(shí)驗(yàn)原料。
(2) 把稱好的PVDF加入到40ml的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，充分溶解形成 透明溶液。
(3) 把稱好的BaTi03和Bi2S3納米棒加到上述透明溶液中，超聲振蕩20min，使Bi2S3， BaTi03均勻分散在溶液中，形成穩(wěn)定的懸浮液。
(4) 將上述的懸浮液倒入表面皿然后將其置于IO(TC烘箱烘干，即得到介電薄膜。
(5) 熱壓上述的介電薄膜并測(cè)試介電性能。熱壓條件210°C， 10MPa， 25min。
圖1是應(yīng)用本發(fā)明的制備方法制備得到的體積百分比/Bi2S3 = 0.03復(fù)合材料的介電常數(shù) 與頻率的關(guān)系圖，從圖中可以看出，介電常數(shù)在100Hz下為23左右。 實(shí)施例2 :制備體積百分比/Bi2S3 = 0.12復(fù)合材料。具體步驟如下
(1) 按照體積百分比/腿3 = 0.12， /BaTiO3=0.20， /PVDF=0.69稱取原材料。將體積分?jǐn)?shù) 換成質(zhì)量數(shù)，各原料分別為0.3160g，0.3900g，0.4140g，稱量實(shí)驗(yàn)原料。
(2) 把稱好的PVDF加入到30ml的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，充分溶解形成 透明溶液。
(3) 把稱好的BaTiOs和Bi2S3加到上述透明溶液中，超聲振蕩20min，使Bi2S3， BaTi03均勻分散在溶液中，形成穩(wěn)定的懸浮液。(4) 將上述的懸浮液倒入表面皿并置于IO(TC烘箱烘干，即得到介電薄膜。
(5) 熱壓上述的介電薄膜并測(cè)試介電性能。熱壓條件210°C， lOMPa， 25min。
圖2是該復(fù)合材料的介電常數(shù)與頻率的關(guān)系圖，從圖中可以看出，介電常數(shù)在100Hz 下可以達(dá)到180左右。
實(shí)施例3 :制備體積百分比/Bi2S3 = 0.11復(fù)合材料。具體步驟如下
(1) 按照體積百分比4233=0.11， /BaTiO3=0.20， 4，=0.69稱取原材料，將體積分?jǐn)?shù) 換成質(zhì)量數(shù)，各原料分別為0.2900g，0.3900g，0.4140g，稱量實(shí)驗(yàn)原料。
(2) 把稱好的PVDF加入到35ml的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，充分溶解形成
透明溶液。
(3) 把稱好的BaTiOs和Bi2S3加到上述透明溶液中，超聲振蕩20min,使Bi2S3， BaTi03均勻分散在溶液中，形成穩(wěn)定的懸浮液。
(4) 將上述懸浮液倒入表面皿置于IOCTC烘箱烘干，即得到介電薄膜。
(5) 熱壓測(cè)試介電性能。將介電薄膜熱壓并測(cè)試其介電性能，熱壓條件2 l(TC ， 10MPa， 25min。
圖3a是介電常數(shù)與頻率的關(guān)系圖，從圖中可以看出，介電常數(shù)在100Hz下高達(dá)1700 以上，且在整個(gè)頻率測(cè)試范圍介電常數(shù)一直在80以上，可見本發(fā)明的復(fù)合材料是一種髙介 電的復(fù)合材料。圖3b是介電常數(shù)與溫度的關(guān)系圖，從圖中可以看出，該復(fù)合材料有著很好 的熱穩(wěn)定性。
實(shí)施例4 :制備體積百分比/Bi2S3 = 0.09復(fù)合材料。具體步驟如下
(1) 按照體積百分比/簡(jiǎn)3 = 0.09, /BaTiO3=0.20， /PVDF=0.71稱取原材料，將體積分?jǐn)?shù) 換成質(zhì)量數(shù)，各原料分別為0.2370g， 0.3900g， 0.426g,稱量實(shí)驗(yàn)原料。
(2) 把稱好的PVDF加入到37ml的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，充分溶解形成 透明溶液。
(3) 把稱好的BaTi03和Bi2S3加到上述透明溶液中，超聲振蕩25min，使Bi2S3， BaTi03均勻分散在溶液中，形成穩(wěn)定的懸浮液。
(4) 將上述懸浮液倒入表面皿置于IOCTC烘箱烘干，即得到介電薄膜。
(5) 熱壓測(cè)試介電性能。將介電薄膜熱壓并測(cè)試其介電性能，熱壓條件21CTC，10MPa， 25min。
圖4是復(fù)合材料的Bi2S3體積分?jǐn)?shù)/B。S3與介電常數(shù)之間的關(guān)系。從圖中可以看出介電常 數(shù)出現(xiàn)了一個(gè)最大值，此時(shí)的復(fù)合材料處于一個(gè)滲流狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候的Bi2S3體積分?jǐn)?shù)/Bi2S3
就叫做該復(fù)合材料的滲流閾值。
權(quán)利要求
1、Bi2S3-BaTiO3/PVDF復(fù)合材料，其特征在于該復(fù)合材料由Bi2S3納米棒、BaTiO3、PVDF組成，其中BaTiO3體積分?jǐn)?shù)為0.20，Bi2S3的體積分?jǐn)?shù)為0.03～0.12，其余的為PVDF。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的Bi2S3-BaTi03/PVDF復(fù)合材料，其特征在于所述的BaTi03 體積分?jǐn)?shù)為0.20， Bi2S3的體積分?jǐn)?shù)為0.03，其余的為PVDF。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的Bi2S3-BaTi03/PVDF復(fù)合材料，其特征在于所述的BaTi03 體積分?jǐn)?shù)為0.20， Bi2S3的體積分?jǐn)?shù)為0.12,其余的為PVDF。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的Bi2S3-BaTi03/PVDF復(fù)合材料，其特征在于所述的BaTi03 體積分?jǐn)?shù)為0.20， Bi2S3的體積分?jǐn)?shù)為0.11 ，其余的為PVDF。
5、 一種81283-BaTi03/PVDF復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟步驟一、按照體積百分比/麗3=0.03 0.12,/脇03=0.20，其余為PVDF，將體積分?jǐn)?shù) 換成質(zhì)量數(shù)，稱量實(shí)驗(yàn)原料；步驟二、把稱好的PVDF加入到N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，充分溶解形成透明溶液；步驟三、把稱好的BaTiOs和Bi2S3粉加到上述溶液中，超聲振蕩20min,使Bi2S3，BaTK)3均勻分散在溶液中，形成穩(wěn)定的懸浮液；步驟四、將懸浮溶液倒入表面皿并置于80 10(TC烘箱烘干，即得到介電薄膜； 步驟五、熱壓上述的介電薄膜并測(cè)試其介電性能。熱壓條件200~220°C， 9 10MPa，20 30min。
全文摘要
本發(fā)明提供一種Bi₂S₃-BaTiO₃/PVDF復(fù)合材料及其制備方法，該材料由Bi₂S₃納米棒、BaTiO₃、PVDF組成，其中BaTiO₃體積分?jǐn)?shù)為20％，Bi₂S₃的體積分?jǐn)?shù)為3％～12％，其余的為PVDF。該材料的制備方法包括按照體積百分比稱取原材料；把稱好的PVDF加入到30～40ml的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，充分溶解形成透明溶液；把稱好的BaTiO₃和Bi₂S₃粉加到上述溶液中，超聲振蕩使Bi₂S₃，BaTiO₃均勻分散在溶液中，形成穩(wěn)定的懸浮液；將懸浮溶液倒入表面皿并置于烘箱烘干，即得到介電薄膜；熱壓并測(cè)試介電性能幾個(gè)步驟，本發(fā)明利用簡(jiǎn)單的混合的方法制備出超高介電的三相Bi₂S₃-BaTiO₃/PVDF復(fù)合材料，具有操作簡(jiǎn)單，成本低，良好的機(jī)械性能，適合工業(yè)生產(chǎn)等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01G4/06GK101423644SQ20081024005
公開日2009年5月6日 申請(qǐng)日期2008年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月17日
發(fā)明者宋袁曾, 張艷景, 萌 楊, 王廣勝, 元 鄧 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)