钛酸钡_环氧复合材料制备技术和介电性能的研究1.pdf

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1、第一章绪论复合材料是一种由两种或两种以上异质、异形、异性的材料组合而成的多相固体材料，一般由基体组元和增强体或功能组元组成。复合材料的优点之一是可设计性，即通过对原材料的选择、各组分的分布设计和工艺条件的[1,2]保证等手段，使各组分的优点互补，进而呈现出优异的性能。按照用途复合材料可以分为结构复合材料和功能复合材料，按照基体分复合材料主要有聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳基复合材料和水泥基复合材料等。其中聚合物基复合材料是目前复合材料的主要品种，其研究和产品规模与种类都远远超过其它基体的复合

2、材料。在聚合物基复合材料中，聚合物-无机复合材料是目前研究得最广泛的一类复合材料，这主要是由于它们具有以下优点：1.可以综合发挥聚合物和无机物的协同效应。2.性能的可设计性，可以针对复合材料的性能要求进行材料的设计和制造，如：当强调耐热性、工艺性时可以选用耐热性高、加工性良好的聚合物基体材料（如环氧、聚酰亚胺、聚醚砜酮等）与无机材料复合；当需要材料[3,4][5,6]导电时，可以加入导电性强的无机粒子，如：石墨、纳米碳管等；当[7]需要强化材料的紫外光屏蔽作用时，可以选用TiO2进行复合；当需要强调成本时，可以选

3、用CaCO3等低价格填料。3.可以按照需要加工材料的形状，避免多次加工和重复加工，这是一般的无机材料所不具备的。复合材料是一种由多种组分复合而成的新型材料，另一个优点是与其中的某一单个成分相比，在性能上有重要的改进或出现新的性质。这种性能上的改进或新性质的出现不仅取决于复合材料的组成，还与复合材料的组织结构密切相关。而复合材料的组织结构主要受各组分的物性和制备工艺控制，因此组成-结构-性能三者之间的关系成为复合材料研究的焦点所在。11.1电介质及其性能表征1.1.1电介质的极化电介质材料最重要的性质是在外电场作用

4、下能够极化。所谓极化，就是介质内质点（原子、分子、离子）正负重心的分离，从而转变成偶极子。在电场作用下，构成质点的正负电荷沿电场方向在有限范围内短程移动，组成[8]一个偶极子。基本极化模型见图1.1，当电介质两极加上电压形成电场时，与电极相邻的电介质内部将引起极化，在内外电场力的作用下引起电荷的移[9]动，同时在电介质表面或体积内部形成被约束的电荷。电介质的一个重要特性是其介电常数及其介电性能随温度、频率和其它因素的变化规律与极化有关。[9]图1.1施加电场时电介质的极化模型Fig.1.1Themodelofpo

5、larizationofdielectricmaterialsunderelectricfield根据电介质的不同极化类型，陶瓷介质材料极化大体可分为四种类型，即电子位移极化、离子位移极化、松弛极化和空间电荷极化。电子位移极化、离子位移极化是一种弹性的、瞬时完成的极化，不消耗能量。松弛极化是指当材料中存在着弱联系电子、离子和偶极子等松弛极点时，热运动使松弛点分布混乱，而电场力图使这些质点按电场规律分布，最后在一定的温度下发生极化。松弛极化的带电质点在热运动时移动的距离可2与分子大小相比拟，甚至更大。它与弹性位移极

6、化不同，它是一种非可逆的过程。空间电荷极化常常发生在不均匀介质中，在电场作用下，不均匀介质内部的正负间隙离子分别向负、正极移动引起材料内各点离子密度变化。宏观不均匀性，如夹层、气泡，也可形成空间电荷极化。所以上述极化又称界面极化。它建立需要较长时间，大约几秒到数十分钟，甚至数十小时，因而空间电荷极化只对直流和低频下的介电性质有影响。对于聚合物而言，主要包括位移极化(包括电子极化和原子极化)和取向极化，其中以取向极化贡献最大。非极性聚合物在外电场中只产生诱导偶极矩，而极性分子在外电场中产生的偶极矩是诱导偶极矩和取向

7、偶极矩之和[10]。图1.2给出了极化类型与频率的关系及其对介电常数的贡献。通常电介质极化都是由上述多种极化方式叠加引起的，极化的产生都不是在施加电场的瞬间完成的，而是需要一定的时间，即所谓弛豫时间。[8]图1.2各种极化的频率范围及其对介电常数的贡献Fig.1.2Frequencyofdifferenttypesofpolarizationandfunctionaspolarizationfordielectricpermittivity1.1.2性能表征参数（1）电容量3在电介质众多的基本特性参数中，电容量C

8、是最重要的基本参数之一。电容量与电极极板面积和电介质介电常数成正比，与极板间距（或电介质的厚度）成反比：（1-1）式中，A为极板面积，t为电极间距离，ε0位真空介电常数。（2）介电常数含有电介质的电容器的电容与该真空电容器的电容之比，称为该电介质的介电常数，即(1-2)介电常数是一个表征电介质贮存电能大小的物理量，它由电介质本身的性质决定，与所加外电场无关，电介质的极化程