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1、导电填料聚合物基复合材料的制备与介电性能的研究主要内容 1目的，意义1 国内外研究现状2 实验结果与分析5 实验内容与方案4 实验目标3 研究目的、意义v电容器行业一直是我国电子元器件产业的重要支柱之一，同时电容器电容器行业一直是我国电子元器件产业的重要支柱之一，同时电容器也是电子整机系统的必用元件。也是电子整机系统的必用元件。v介电材料又称电介质，是电的绝缘材料，是电容器的核心材料。介电材料又称电介质，是电的绝缘材料，是电容器的核心材料。v随着信息、电子和电力工业的快速发展，以低成本生产具有高介电常随着信息、电子和电力工业的快速发展，以低成本生产具有高介电常数和低介电损耗的聚合物基复合材料成
2、为行业关注的热点。在同样的数和低介电损耗的聚合物基复合材料成为行业关注的热点。在同样的体积情况下，为了获得重量轻和高储能密度的大功率电容器，则必须体积情况下，为了获得重量轻和高储能密度的大功率电容器，则必须采用以密度小、介电常数高的电介质材料作为电荷储存的薄膜，因此采用以密度小、介电常数高的电介质材料作为电荷储存的薄膜，因此，研究具有高介电常数的聚合物基复合材料具有十分重要的学术意义，研究具有高介电常数的聚合物基复合材料具有十分重要的学术意义和实用价值。和实用价值。对于给定形状的电容器，电容C 与电容器的介电常数成正比。电容器储能公式得出电压一定时，储能与电容成正比。电容器的散热能力也是一个重
3、要的性能指标。在在频频率相同率相同时时，电电容器的容器的发热发热性决定于介性决定于介质损质损耗耗tan。电容器材料不仅要求具有高的介电常数电容器材料不仅要求具有高的介电常数,而且同时要具有尽量低的介质损耗而且同时要具有尽量低的介质损耗。国内外研究现状 v过去的几年，在聚合物基复合电介质材料的研究领域，多过去的几年，在聚合物基复合电介质材料的研究领域，多是将具有高介电常数的陶瓷微粉作为功能组分，通过特殊是将具有高介电常数的陶瓷微粉作为功能组分，通过特殊的工艺制备这种高介电常数的复合介质材料。的工艺制备这种高介电常数的复合介质材料。陶瓷的高介电常数陶瓷的高介电常数聚合物的易加工、低成本聚合物的易加
4、工、低成本 然而由于有机聚合物自身的介电常数都较低然而由于有机聚合物自身的介电常数都较低(1010)，因此这类，因此这类复合材料的介电常数在室温时才达到复合材料的介电常数在室温时才达到60。Motorola、3M、TDK等国外公司等国外公司对这对这种高介种高介电电陶瓷陶瓷粉末粉末/聚合物基复合材料也聚合物基复合材料也进进行了大量的研究，并将以行了大量的研究，并将以这这种材料种材料为电为电介介质质的的电电容器容器应应用于其手机等用于其手机等产产品之中，取品之中，取得了良好的效果。得了良好的效果。实验实验室研究以及初步的工室研究以及初步的工业验证业验证都都证实证实高介高介电电聚合物聚合物基复合材料
5、具有良好的基复合材料具有良好的应应用前景。用前景。相关数据如下表所示：相关数据如下表所示：材料体系材料体系电电容密度容密度（nf/cm2）介介电电常数常数（100Hz）介介电损电损耗耗（100Hz）厚度厚度(）聚丙聚丙烯烯（PP）0.0113130钛钛酸酸钡钡/环环氧氧树树脂复合材料脂复合材料0.30366100钛钛酸酸钡钡/聚聚酰亚酰亚氨复合材料氨复合材料0.231111825Al2O3Al/还还氧氧树树脂复合材料脂复合材料0.8510045080目前目前,己经报道的典型的导电颗粒填充的聚合物基高介电复己经报道的典型的导电颗粒填充的聚合物基高介电复合材料的组成及介电性能合材料的组成及介电性能
6、样样品品导电导电填料填填料填充体充体积积分数分数介介电电常数常数介介电损电损耗耗测试频测试频率率(HZ)Ni/PVDF0.174000.18100ZnO/PVDF0.05481150.5100Ni-BT/PVDF0.228000.5100Al/Epoxy0.8(质量分数)1090.2100虽然渗流型聚合物基复合材料的介电常数比较高，但是目前此类材料的频率依虽然渗流型聚合物基复合材料的介电常数比较高，但是目前此类材料的频率依赖性很大赖性很大,介电损耗也比较高。介电损耗也比较高。研究目标 低介电损耗低介电损耗高介电常数高介电常数低成本低成本低频率依赖性低频率依赖性易加工易加工耐击穿耐击穿目标目标依
7、据依据：渗流理论：渗流理论 当导电的填料颗粒加入量达到一个特定当导电的填料颗粒加入量达到一个特定的值时，填料颗粒之间会相互连通，形成一个通路，从而使的值时，填料颗粒之间会相互连通，形成一个通路，从而使材料由介电体变为导电体。材料由介电体变为导电体。此时填料颗粒的加入量，即为渗此时填料颗粒的加入量，即为渗流阈值。流阈值。如果颗粒的加入量充分的接近渗流阈值则复合材料的宏如果颗粒的加入量充分的接近渗流阈值则复合材料的宏观介电常数趋近于无穷大。观介电常数趋近于无穷大。根据根据Sher-Zallen不变量不变量,对于两相颗粒都分别是等径球时对于两相颗粒都分别是等径球时,fc=0.16 研究内容原料选择：
8、原料选择：聚合物基体：主要以聚合物基体：主要以铁电铁电性能性能优优异，介异，介电电常数常数较较高，机械性高，机械性能能优优异的聚偏氟乙异的聚偏氟乙烯烯（PVDF）。）。导电导电填料填料:普通工普通工业业化化Al粉粉（微米（微米级级）。）。溶溶剂剂：N,N-二甲基甲二甲基甲酰酰胺胺(DMF)，DMF万能有机溶万能有机溶剂对剂对PVDF有良好的溶解性，能形成无色透明的溶液。有良好的溶解性，能形成无色透明的溶液。复合材料的制备流程复合材料的制备流程涂银浆涂银浆备料备料超声溶液共混超声溶液共混去溶剂成膜去溶剂成膜热压热压介电性能介电性能测试测试SEM测试测试混合热压法混合热压法 优点：简单易操作，耗时
9、短，适合工业化批量生产优点：简单易操作，耗时短，适合工业化批量生产技术难点技术难点 a 形成稳定悬浮液。尽量使填料在溶液里分散均匀，形成稳定悬浮液。尽量使填料在溶液里分散均匀，不迅速沉积，不团聚。不迅速沉积，不团聚。b 温度的控制。去溶剂时的温度很关键温度的控制。去溶剂时的温度很关键太高会使形太高会使形成的薄膜卷曲，太低会因为蒸发溶剂时间过长导致薄膜各成的薄膜卷曲，太低会因为蒸发溶剂时间过长导致薄膜各处的组分不均匀。处的组分不均匀。实验结果及分析1.1.介电常数随着频率的变化并没有明显的变化介电常数随着频率的变化并没有明显的变化.2.2.介电常数随着介电常数随着AlAl含量的增加而增大，但是增
10、加的幅度不大，即使含量的增加而增大，但是增加的幅度不大，即使AlAl体积含量到体积含量到2525，介电常数也只有，介电常数也只有2020多一点多一点.3.3.介电损耗随着介电损耗随着AlAl含量的增加而略微增加含量的增加而略微增加,但介电损耗还是很低的但介电损耗还是很低的,只比纯只比纯PVDFPVDF高一点高一点.Al低填充量低填充量时时，Al/PVDF复合材料的介复合材料的介电电常数、介常数、介电损电损耗与耗与频频率的率的关系关系没有出现渗没有出现渗流效应流效应 Al高填充量高填充量时时，Al/PVDF复合材料的介复合材料的介电电常数、介常数、介电损电损耗与耗与频频率的率的关系关系1.介介电
11、电常数随着常数随着频频率的升高而降低。率的升高而降低。2.介介电电常数随着常数随着Al含量的增加而增加。当含量的增加而增加。当fAl0.7时时，介，介电电常数高达常数高达1753.介介电损电损耗都比耗都比较较低低,有的甚至跟有的甚至跟纯纯PVDF的相当。的相当。结论结论：加入金属：加入金属Al不不仅仅可以大大提高聚合物基体的介可以大大提高聚合物基体的介电电常数，常数，还还可以降低介可以降低介电电损损耗耗。Al/PVDF复合材料的复合材料的电导电导率与率与Al体体积积填充量填充量fAl的关系的关系1.电导电导率随着率随着fAl的增加而增加，但增加的幅度并不大。的增加而增加，但增加的幅度并不大。2.即使即使fAl0.7时时，由，由电导电导率也可以看出材料仍保持着率也可以看出材料仍保持着绝缘绝缘状状态态。没有出现渗没有出现渗流效应，流效应，Why？结论结论Al的加入不的加入不仅仅可以提高复合材料的介可以提高复合材料的介电电常数，同常数，同时还时还可以可以降低介降低介电损电损耗。耗。由于金属由于金属Al易易钝钝化的特性，化的特性，导导致复合材料并未出致复合材料并未出现现明明显显的的渗流效渗流效应应。击击穿穿场场强强与复合材料的无机含量有关，要想有高的与复合材料的无机含量有关，要想有高的击击穿穿场场强强值值就要保就要保证证有一个低的无机含量。有一个低的无机含量。Thank you!