聚醚砜基高介电常数复合材料的研究

摘要

高介电常数聚合物基复合材料具有优异的综合性能和广泛的应用前景而成为功能材料领域的热门研究课题之一，它们能用作埋入式电容器和储能电容器。但是，到目前为止，实用化的产品主要以钛酸钡（BaTiO3，BT）为填料来制备0-3型钛酸钡-聚合物复合材料，为保持复合材料的基本力学性能，BT 体积百分比含量不能超过50%，这一限制使得最终得到的复合材料的介电常数一般不能超过40（室温和100kHz，下文测试条件与此相同）。另外，在研究中，人们通常使用的聚合物基体是环氧树脂和聚偏氟乙烯及其同系物，这些高分子的耐热性能不高，使用温度低于150℃，当复合材料作为电介质在使用过程中由于自身能量损失而发热，使得材料温度升高，如果聚合物的耐热性不够，则容易变形或烧毁。为解决这一问题，本文致力于开发耐热性高于150 ℃,介电常数高于40的聚合物基复合材料。选择耐热性高的特种工程塑料聚醚砜（PES）为聚合物基体，保证了复合材料高的耐热性，然后通过选择介电常数高于BT的三种陶瓷粉末，分别为改性铁电陶瓷粉末Ba0.95Ca0.05Ti0.8Zr0.2O3（BCTZ），巨介陶瓷粉末CaCu3Ti4O12（CCTO）和介电常数为无穷大的导电陶瓷粉末TiC 为填料，来提高PES的介电常数，制备几种聚醚砜基复合材料。研究陶瓷的种类，含量，结构对复合材料介电性能的影响，期望得到的复合材料使用温度高于200 ℃，介电常数超过40，应用于制作埋入式电容器。
　　 本论文的主要研究内容与结果如下：
　　 本文首先研究以高介铁电陶瓷BT 粉末为填料的复合材料的性能，以便与其他高介陶瓷为填料制备的复合材料进行比较。分别选择粒径为100 nm，300 nm，700 nm的商业化产品BT 粉末为填料，以PES 为聚合物基体，采用溶液混合，热压的方法制备了三种BT-PES 复合材料。BT-PES 复合材料的玻璃化温度高于220 ℃，热分解温度高于500 ℃；此外，在室温100 kHz 下，当BaTiO3含量为50 vol.%时，三种复合材料的介电常数分别为24.61，29.41和32.38，介电损耗分别为0.0175，0.0195和0.0235；采用偶联剂处理或使用粒径搭配的方法来调节复合材料的介电性能，但改变不大；研究了三种BaTiO3-PES 复合材料的介电性能随测试频率和温度变化的关系。
　　 研究结果表明BaTiO3-PES 复合材料的介电常数可以在5-32之间任意调节，同时介电损耗较小，其介电性能具有一定的频率和温度稳定性，同时复合材料具有很好的加工性能，柔韧性好，耐热性高，可以用作埋入式电容器。
　　 以改性铁电陶瓷Ba0.95Ca0.05Ti0.8Zr0.2O3（BCTZ）填料，与PES 复合，当陶瓷含量为50 vol.%时，BCTZ-PES 复合材料的介电常数为38.59，介电损耗为0.027，且其介电性能受温度和频率的影响很小，显示出良好的应用前景。
　　 以巨介电常数陶瓷材料CaCu3Ti4O12（CCTO）粉末作为填料，制备了CCTO-PES复合材料，当CCTO 体积分数等于0.5时，复合材料的介电常数等于32.7，介电损耗等于0.063。
　　 以导电陶瓷TiC 粉末为填料，制备了TiC-PES 复合材料，在TiC 体积百分比含量为16.43%时，复合材料介电常数为44.19，介电损耗0.11。在TiC-BT-PES 三相复合材料中，当TiC含量为15 vol.%，BaTiO3 为30vol.%时，三相复合材料的介电常数为41.57，介电损耗为0.054，同时具有很好的频率和温度稳定性，总陶瓷含量仅为45%，因而保持了复合材料的力学性能，TiC-BT-PES 复合材料优异的综合性能可以使其应用于实际。
　　 采用常见的描述复相体系介电常数的理论模型对BT-PES 复合材料的介电性能进行模拟并与实验值比较，结果表明采用Jaysundere方程计算值与实验值较为接近，而EMT模型能准确预测BT-PES 复合材料的介电常数。对于CCTO-PVDF 复合材料，采用Jaysundere方程时计算值在CCTO含量小于等于40 vol%时，与实验值吻合得很好，而高含量下则出现很大偏差。采用EMT模型时理论值与实验值误差不大。