BaTiO3/PVDF复合电介质材料制备及性能研究

摘要

本文以设计制备一种应用于脉冲电容器，兼具铁电陶瓷高介电常数和聚合物良好成型加工性能的储能介质材料为目的，采用BaTiO3粉体为功能相，热塑性聚合物PVDF为基体相，开展了BaTiO3/PVDF复合电介质材料制备及性能研究。采用TG、高温流变仪等手段研究了BaTiO3/PVDF复合材料的混料工艺和热压成型工艺，结果表明：预剪切工艺可以降低 PVDF聚合物基体的高温粘度，有利于复合材料成型。BaTiO3/PVDF复合材料的成型温度区间控制在160℃~300℃之间，在此区间内基体粘度>100Pa·s。用250℃、100MPa的热压工艺制备BaTiO3/PVDF复合材料试样，试样致密度>95％。采用XRD、SEM和阻抗分析仪等手段研究了BaTiO3粉体粒径、体积分数对复合材料介电性能和力学性能的影响，结果表明：BaTiO3粉体具有尺寸驱动的由铁电相向顺电相转变的“尺寸效应”，极限尺寸约为100nm。复合材料的介电常数和介质损耗受粉体粒径、体积分数和材料内部的界面共同影响。高频下BaTiO3体积分数对于复合材料介电常数的影响符合改进的Lichtnecker方程。由于界面、不均匀和气孔等细微缺陷的存在，随着BaTiO3粉体粒径的减小和体积分数的升高，复合材料的介电强度降低。采用液相沉淀法对纳米BaTiO3粉体进行包覆Al2O3改性，采用TEM、XPS和XRD等手段研究了包覆工艺参数对包覆效果的影响，结果表明：Al3+浓度和pH值对于包覆层效果影响较大。Al3+浓度1mol/L，pH值控制在8，烧结温度500℃时，可以得到均匀完整包覆的Al2O3-BaTiO3粉体。烧结后得到 Al2O3以无定形态附着在BaTiO3表面的核-壳结构粉体。考察了包覆Al2O3改性工艺对BaTiO3/PVDF复合材料介电常数、介质损耗和介电强度的影响。结果表明：Al2O3包覆 BaTiO3一定程度上降低了BaTiO3/PVDF复合材料的介电常数；对复合材料介质损耗的影响不大，但明显提高了复合材料的介电强度。

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第一章 绪论

1.1电介质材料的基本性质

1.2 电介质材料的储能特性

1.3 高介电复合电介质材料的研究进展

1.4 陶瓷粉体表面包覆改性研究

1.5 陶瓷/聚合物复合电介质材料体系的选择

1.6 本课题的研究目的和研究内容

第二章 BaTiO3/PVDF复合材料的制备

2.1 实验原料

2.2 复合材料的混料工艺研究

2.3 复合材料成型工艺选择

2.4 本章小结

第三章 BaTiO3/PVDF复合材料性能研究

3.1 BaTiO3粉体粒径对复合材料性能的影响

3.2 BaTiO3粉体体积分数对复合材料性能的影响

3.3 本章小结

第四章 Al2O3包覆BaTiO3粉体的制备及对复合材料介电性能的影响研究

4.1 BaTiO3粉体表面包覆机理

4.2 BaTiO3粉体表面包覆工艺研究

4.3 Al2O3包覆BaTiO3粉体的结构分析

4.4 Al2O3包覆对BaTiO3/PVDF复合材料性能的影响

4.5 本章小结

第五章 结 论

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果