您好, 歡迎來到化工儀器網
對一種超高介電常數材料的研究
高介電材料具有非常廣泛的應用，評估該材料性能的主要參數之一是介電常數。因此，制備高性能的介電材料，首先就是要提高它的介電常數。電介質材料的介電常數主要源自于材料內部的極化，要想提高材料的介電常數，本文必須增強材料內部極化的強度。從第一章可知，電介質在電場下極化的分子機理比較復雜，主要包括四種：界面極化、偶極取向、離子極化和電子極化。其中，偶極取向、離子極化及電子極化和材料的組成及它們本征電性能有關，而界面極化除了和材料本征電性能有關外，還和復合材料的界面結構有關。為了制備具有高介電常數的納米聚合物復合材料，本文通過選擇合適的高介電納米填料和聚合物基體來提高偶極取向、離子極化和電子極化，并通過納米*的結構來設計的界面結構來提高界面極化，從而大幅提高復合材料的介電常數。
首先，本文選擇尺寸為 100 納米的鈦酸鋇顆粒作為填料，來提高聚合物復合材料的介電常數。鈦酸鋇是一種常見的鐵電陶瓷，能夠自發極化，有很高的的介電常數。同時，鈦酸鋇還有很好的絕緣性能和穩定性，其表面存在有反應活性羥基官能團，為后面設計特殊的界面結構提供了可行性。和其他常見的的高介電填料，如二氧化鈦、氧化鋅和氧化鋯等無機顆粒相比，鈦酸鋇有很大的優勢，因此被廣泛用于制備高介電聚合物復合材料[。人們還研究發現，選用納米填料比選用微米填料更有利于提高復合材料的電性能[，一方面，納米填料有較大的比表面積，可以增大復合材料中的界面面積，從而增強界面極化，提高介電常數；另一方面，往聚合物中添加納米填料可以提高復合材料的介電強度，提升材料的實用價值。同時，鈦酸鋇的介電常數和它自身的粒徑有關，在 1微米左右達到最大值，然后隨尺寸的減小而減小，小于 100 納米時，迅速減小。綜合考慮鈦酸鋇的納米效應和它自身的介電常數，本文選用鈦酸鋇的尺寸為 100納米。
其次，本文選用具有很高介電常數的聚合物偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物（PVDF-TrFE-CFE）作為基體，來提高復合材料的介電常數。大部分聚合物的介電常數都比較小，通常小于 10。然而，聚偏氟乙烯（PVDF）及其共聚物因為內部有強極性的 C-F 鍵并且偶極能自發極化，介電常數較高，特別是PVDF-TrFE-CFE，在常溫下 1 kHz 時的介電常數就超過 40。具有高介電常數的聚合物基體對提高復合材料的介電常數具有很重要的意義。
另外，本文還通過用超支化聚酰胺包覆鈦酸鋇納米顆粒，形成一種特殊的核-殼結構，提高復合材料的介電常數。復合材料的界面極化除了和復合材料各組份的性質有關外，還和復合材料的界面結構有關。我們知道，界面極化是由于電荷在界面處聚集引起的。因此，本文可以通過設計有利于電荷聚集的特殊結構，來提高界面極化。在這里，本文選用超支化聚酰胺包覆鈦酸鋇，是因為和其他聚合物相比，超支化聚酰胺具有較高的電導率和介電常數。在界面處插入一層超支化聚酰胺，能夠促進電荷往界面聚集，從而提高界面極化。