高介电常数聚偏氟乙烯基复合材料的制备及性能研究

发布时间：2017-06-17 05:11

  本文关键词：高介电常数聚偏氟乙烯基复合材料的制备及性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着电子设备向微型化和多功能化的发展,印刷电路板上大量的无源器件阻碍了其微型化的实现,嵌入式无源器件则是解决该问题的最有效途径,然而由于材料和加工工艺的限制,嵌入式技术在电子封装领域并未实现商业化应用。因此,研发一种新型材料同时满足电学性能和制造工艺的要求是十分有必要的,聚合物基复合材料应运而生。本论文选取不同颗粒尺寸的巨介电常数Ba(Fe0.5Nb0.5)O3作为陶瓷填料,金属Ni粉作为导电填料,聚偏氟乙烯(PVDF)作为聚合物基体,旨在研发一种具有高介电常数和低介电损耗的新型聚合物基复合材料,并揭示复合材料介电常数的非线性增强机制。本论文的主要研究内容如下：采用传统固相法制备了微米级Ba(Fe0.5Nb0.5)O3粉体(μ-BFN),并系统研究μ-BFN/PVDF复合材料的介电性能,结果表明,随着μ-BFN体积分数的增加,μ-BFN/PVDF复合材料的介电常数和介电损耗都有所提高；在100 Hz下,60 vol.% μ-BFN/PVDF复合材料的介电常数达到57,是PVDF的介电常数的六倍左右,介电损耗仅为0.23；在PVDF基体中引入μ-BFN填料,可以明显提高PVDF基复合材料的介电常数,同时维持较低的介电损耗；以μ-BFN粉体作为功能相填料为制备高介电常数PVDF基复合材料提供了新思路。用草酸盐共沉淀法制备了纳米级Ba(Fe0.5Nb0.5)O3粉体(n-BFN),并系统研究n-BFN/PVDF复合材料的介电性能,结果表明,n-BFN/PVDF复合材料的相对介电常数、介电损耗和电导率都随n-BFN体积分数的增大而增大,60 vol.% n-BFN/PVDF复合材料的介电常数为PVDF的9倍多,其值高达93,表明通过引入n-BFN填料粒子,PVDF基复合材料的相对介电常数值得到显著提高；利用Yamada模型深入分析了n-BFN/PVDF复合材料介电增强现象,表明填料的几何因素对复合材料的介电性能有较大影响。通过对比发现,当填料BFN的体积分数相同时,n-BFN/PVDF复合材料比μ-BFN/PVDF复合材料表现出更高的介电常数,损耗并没有显著变化。介电常数的提高来源于n-BFN/PVDF复合材料中较大的界面面积所引起的界面极化,而较低的介电损耗归因于绝缘PVDF的阻隔效应；降低填料尺寸可作为改善高介电陶瓷粉体／聚合物复合材料介电性能的一种有效途径。根据渗流理论,当Ni粉的添加量为25 vol.%时,Ni/PVDF复合材料发生渗流现象,其介电常数高达301,然而其介电损耗也高达5.2。为了降低Ni/PVDF复合材料介电损耗,通过引入n-BFN作为第三相,制备了n-BFN/Ni/PVDF三相复合材料。50 vol.% n-BFN/25 vol.% Ni/PVDF复合材料表现出最佳的介电性能,其介电常数高达475,而介电损耗仅为0.61。通过对比Ni/PVDF两相复合材料和n-BFN/Ni/PVDF三相复合材料,三相复合材料综合了导体/聚合物复合材料的高介电常数和陶瓷/聚合物复合材料的低介电损耗,表现出更加优异的介电性能,n-BFN的引入不仅进一步提高了Ni/PVDF复合材料的介电常数,而且大大降低了Ni/PVDF复合材料的介电损耗。
【关键词】：聚合物基复合材料 Ba(Fe_(0.5)Nb_(0.5))O_3 聚偏氟乙烯 界面效应 介电性能
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB332
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 1 绪论10-24
• 1.1 聚合物基复合材料的应用10-12
• 1.1.1 生物工程领域10-11
• 1.1.2 电气工程领域11
• 1.1.3 微电子领域11-12
• 1.2 聚合物基介电复合材料的研究进展12-15
• 1.2.1 陶瓷/聚合物复合材料12-13
• 1.2.2 导体/聚合物复合材料13
• 1.2.3 高介电常数PVDF基复合材料13-15
• 1.3 复合材料介电增强的理论模型15-19
• 1.3.1 Lichtenecker对数模型15-16
• 1.3.2 Maxwell-Garnett模型16-17
• 1.3.3 Bruggeman有效介质模型17
• 1.3.4 C-M-D-J理论17-18
• 1.3.5 渗流理论18-19
• 1.4 基体和填料的选择19-23
• 1.4.1 聚偏氟乙烯的结构和性质20-21
• 1.4.2 Ba(Fe_(0.5)Nb_(0.5))O_3的结构和性质21-23
• 1.5 课题的研究目的与研究内容23-24
• 2 实验方法24-27
• 2.1 实验原料24
• 2.2 实验设备24-25
• 2.3 实验工艺流程25-26
• 2.3.1 传统固相法制备微米级Ba(Fe_(0.5)Nb_(0.5))O_3粉体25
• 2.3.2 草酸盐共沉淀法制备纳米级Ba(Fe_(0.5)Nb_(0.5))O_3粉体25
• 2.3.3 机械共混法制备聚偏氟乙烯基复合材料25-26
• 2.4 表征与性能测试26-27
• 3 BFN/PVDF复合材料的性能研究27-49
• 3.1 μ-BFN/PVDF复合材料的性能研究27-32
• 3.1.1 实验27-28
• 3.1.2 结果与讨论28-32
• 3.1.3 本节小结32
• 3.2 n-BFN/PVDF复合材料的性能研究32-43
• 3.2.1 实验33
• 3.2.2 结果与讨论33-42
• 3.2.3 本节小结42-43
• 3.3 填料颗粒尺寸对BFN/PVDF复合材料的性能影响43-48
• 3.3.1 实验43
• 3.3.2 结果与讨论43-48
• 3.3.3 本节小结48
• 3.4 本章小结48-49
• 4 n-BFN/Ni/PVDF三相复合材料的性能研究49-60
• 4.1 Ni/PVDF复合材料的性能研究49-54
• 4.1.1 实验50
• 4.1.2 结果与讨论50-53
• 4.1.3 本节小结53-54
• 4.2 n-BFN/Ni/PVDF复合材料的性能研究54-59
• 4.2.1 实验54
• 4.2.2 结果与讨论54-58
• 4.2.3 本节小结58-59
• 4.3 本章小结59-60
• 5 结论与展望60-62
• 5.1 结论60-61
• 5.2 展望61-62
• 致谢62-63
• 参考文献63-69
• 攻读学位期间发表的学术论文目录69-70

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