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1、DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.1998.01.001研究与试制*高介电常数有机复合介质功能材料刘泽李永祥吴冲若(东南大学南京210096)摘要:高介电常数复合材料在储能和实现电场均匀化等方面的作用,使得它在电工、电子技术领域有着特殊的意义。可塑性高介电常数多相复合材料在实现电场均匀化方面的研究还在起步阶段,笔者从这一目的出发,采用精细复合工艺,经试验制备了BaTiO3/聚合物两相复合材料和碳黑/BaTiO3/聚合物三相复合材料。研究了该复合材料的介电性能随其中的BaTiO3和碳黑的含量不同而采用梯度介电复合材料可实现电缆终端的不均匀电场均匀化。关键词:复
2、合材料介电性能钛酸钡碳黑梯度介电材料分类号:TM281选用水热法制备的具有钙钛矿型结构的BaTiO3超微粉末(粒1前言径:100～200nm),母体聚合物选用醇酸清漆,具体试验过程复合材料是由几种不同原料复合而成的多相材料,复合材如图1所示。料的特点不仅保持其原组分的部分特性,而且还具有原组分所不具有的性能,可以利用复合材料的乘积效应和加和效应开发、研制出在性能上比单一材料更好的、具有新效应的新型材[1]料。因此,通过材料的复合来获得新型高介电常数功能材料无疑成为工程电介质物理研究的一大课题。大多聚合物是良好的绝缘体,在与其他材料复合后,大多能保持其良好的电绝缘性,同时又能够增强复合
3、材料的黏结性,耐腐蚀性、加工性。特别是加入导电材料,如金属、碳黑,其结果不仅改变介电特性和导热性,同时还能吸收辐射,表现磁性,改善热稳定性。目前,功能复合材料在电子学方面的应用已经取得了很大的成功,人们已经采用PZT和PbTiO3与有机高聚物在掺入相含量较高的情况下制备出性能优异的压电图1高介电常数复合材料的制备过程水声换能器和热释电复合材料[2,3],用极性的PT微粉与透明2.2材料测试与结果环氧树脂在PT含量较低情况下复合开发的光电材料已见报由电极的对应面积、试样厚度以及实测电容来推算复合材道[4],研究工作还处于起步阶段。料介质的相对介电常数,如式(1):36π×109Ch高介
4、电常数材料在储能以及电场均匀化方面的作用,使得Xr=(1)X0A它在电工技术领域有着重要的意义。因此利用高介电陶瓷、导电粒子与有机聚合物复合制备出的可塑性0-3型高介电常数有机复合材料将成为一种具有重要应用背景的新型功能材料。2BaTiO3微粒/聚合物两相复合材料2.1材料制备0-3型复合材料系将活性超微粒子分散于三维连通的非活性母体中而形成的高度分散混合体系。试验中,高介电陶瓷图2在1kHz,25℃下,BaTiO3/醇酸清漆两相复合材料的收稿日期:1997-04-10*国家自然科学基金资助项目。相对介电常数与BaTiO3体积分数的关系电子元件与材料1998年2月1式中,A为试样的电
5、极面积;h为试样的厚度;C为测试的式(2和3)和并联排列的关系式(4和5)得到混联排列的关电容量;X0为真空介电常数。由式(1)得到BaTiO3微粒/聚合系式(6):物两相复合材料的相对介电常数与BaTiO3含量的关系,如图X″nr=∑ViXri(6)i2所示。′″其中Xr、Xr分别为复合材料的介电常数的实部和虚部;V1、V2为第一相与第二相所占的体积分数;X′″r、Xr第一相和第二相实部,X′″r1、Xr2为第一相和第二相虚部,n为常数,串联时为-1,并联时为+1;Vi为第i相所占的体积分数,Xri为第i相的介电常数。因为串联和并联排列为复合材料的两种极端情况,故一般情况下,n介于
6、-1和+1之间,当n趋于零时,Xnr趋于1+nlogXr,由公式可得:logXr=∑VilogXri(7)i这一关系式也适合于多相复合材料的介电常数的计算。对于BaTiO3/醇酸清漆两相复合材料,其中醇酸清漆的相对介电4常数Xr1=4.5,BaTiO3的相对介电常数Xr2=10,两者均为实验测量值,由此我们可得所制备的复合材料的相对介电常数理论值与掺入相体积分数的曲线关系(如图2),由图2可见,相对于醇酸清漆来说,两相复合材料的相对介电常数有了很大提高,并且相对介电常数随着BaTiO3的加入呈非线性增长趋势,实验值与理论值基本相符。图4为在1kHz,25℃下测定两相复合材料介质损耗角
7、正切值与BaTiO3体积分数的曲线,如图4可见,随着BaTiO3含量的变化,复合材料的介质损耗角正切值变化并不大,这说明图3复合材料的介电性能理论模型BaTiO3的加入,仍可以保持良好的电绝缘性。在研究多相复合材料的介电性能时,人们常把复合系统作为稀释系统,即由描述的掺入相的含量比一般的母体相的含量小的情况,而且认为掺入相粒子均匀分布,粒子间的距离比平均粒径大得多,以至粒子间相互作用可忽略不计,然后采用平均场近似来求得复合材料的介电常数。复合材料介电性能可
