钛酸钡/环氧复合材料制备技术和介电性能的研究

论文摘要

随着电子、信息等产业的发展,迫切需要高介电常数的易加工材料。其中高介电常数的陶瓷/聚合物复合材料由于具有聚合物低的加工温度和柔韧性等优点,常被用于制作具有任意形状的电容器的介质材料,这对于电子器件小型化、多功能化应用的发展趋势来说具有重要的研究意义。本论文以环氧树脂作为基体,双氰胺和2-乙基-4-甲基咪唑作为固化剂体系,以颗粒尺寸在38nm2.672μm之间的钛酸钡（BaTiO3,BT）作为高介电填充组分,采用溶液共混合、旋涂工艺制备了不同BaTiO3含量的0-3型BaTiO3/环氧复合材料膜,研究分析了环氧树脂固化工艺中固化剂体系的确定,BaTiO3/环氧树脂复合材料的制备、显微结构、热稳定性、介电性能等问题。采用双氰胺和2-乙基-4-甲基咪唑组成的体系作为固化剂体系,利用DSC分析了固化剂体系的最佳固化工艺。当其含量占环氧树脂质量数6%时,固化温度120℃（1h）,该固化剂体系属于中温潜伏型固化剂,固化物具有良好的耐热性,耐热温度在280℃左右,这对于某些需在较高温作业工程上的应用来说是很重要的。本文制备了BaTiO3质量分数在0.30.7之间的复合材料,研究表明,复合材料的介电常数及介电损耗不只与陶瓷相的含量有关,还与陶瓷相BaTiO3粉末在基体中的分散相关。随BaTiO3质量分数的增加,复合材料的介电常数呈非线性增长,在质量分数为0.6时达到最大值,之后随BaTiO3含量进一步增大而降低,颗粒粒子在环氧树脂连续基体中有效接触引起偶极子相互作用的强弱对复合材料介电性能有重要影响。从SEM分析来看,随BaTiO3含量增加,复合材料表面、断面的颗粒分布密度逐渐增大,聚合物基质能较好地包覆着BaTiO3粉体,BaTiO3粉末也能较好地均匀分散在有限连续的聚合物基质中。其中BaTiO3质量分数为0.6时陶瓷相的分散效果最佳,之后随BaTiO3含量进一步增加,粉末颗粒团聚现象显著增大。从频率因素来看,复合材料的介电常数在20-150 KHz的频率范围内均较为稳定;在10-150 KHz的频率范围,复合材料的介电损耗值均在0.036-0.039之间,介电损耗随频率增大而增大,但增加趋势不显著。对复合材料进行XRD分析表明,所包含的BaTiO3对应的XRD吸收峰与纯钛酸钡XRD吸收峰相比没有明显的改变,可见复合材料中BaTiO3粒子的晶体结构在制备过程中是很稳定的。复合材料中环氧树脂的XRD特征峰与纯的环氧树脂相比却发生了显著的改变:纯环氧树脂的XRD谱图中,在2θ=18.2°出现的馒头形弥散衍射峰说明纯环氧树脂中的聚合物分子聚集成一个有序结构,而对于复合材料,环氧树脂相的衍射峰在2θ=17.6°处,且峰的强度大大降低,根据Braggs公式可以知道BaTiO3粒子的加入破坏了环氧树脂聚合物有序排列的分子结构,降低了环氧树脂分子链的排列密度,导致晶面间距的增加。随着BaTiO3粉末的加入以及BaTiO3含量的增加,材料体系的固化温度和热分解温度均有一定的提高。环氧聚合物高分子贯穿于BaTiO3粒子中,处于受限状态,随BaTiO3粒子含量增加后自由体积减少,在受热时链段运动更加困难,从能量角度来看要使有机聚合物分子链在加热过程中断裂则需要更高的分解温度,从而使得材料的热稳定性得到了提高。本论文取得如下具有创新性的研究成果:（1）所选用的陶瓷相BaTiO3粉末经处理后,颗粒尺寸范围在38nm2.672μm之间,具有分布宽的特点。研究结果表明可以在未加表面分散剂的条件下使得粉末能均匀分散在基质中。（2）所选用的固化剂体系由双氰胺和2-乙基-4-甲基咪唑组成,两者按5:1质量配比组成的体系属于中温潜伏型固化剂,环氧固化物具有良好的耐热性。研究结果为陶瓷/聚合物高介电复合材料的应用奠定了一定的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 电介质及其性能表征
• 1.1.1 电介质的极化
• 1.1.2 性能表征参数
• 1.2 聚合物基介电材料的种类与特点
• 1.2.1 单一聚合物介电材料
• 1.2.2 聚合物/聚合物介电材料
• 1.2.3 聚合物/无机介电材料
• 1.3 高介电常数介电材料的应用
• 1.3.1 无源器件的概念
• 1.3.2 嵌入式电容器
• 1.4 无机/有机复合材料的介电模型
• 1.4.1 渗流阈值（Percolation Threshold）
• 1.4.2 B-J 模型
• 1.4.3 其它模型规则
• 1.5 无机/有机介电复合材料的制备技术
• 1.5.1 原材料的选择
• 1.5.1.1 基体材料的选择
• 1.5.1.2 填料的选择
• 1.5.2 原材料的改性
• 1.5.2.1 对聚合物基体材料的改性
• 1.5.2.2 对无机填料的改性
• 1.5.3 复合体系的选择
• 1.5.3.1 两相复合材料
• 1.5.3.2 三相复合材料
• 1.5.3.3 纳米复合技术
• 1.5.4 复合材料的制备工艺
• 1.5.4.1 机械共混法
• 1.5.4.2 溶液共混法
• 1.5.4.3 其它方法
• 1.5.5 复合材料的影响因素
• 1.6 选题依据
• 1.7 主要研究内容
• 1.8 本章小结
• 第二章 原材料的选择、预处理及性能表征
• 2.1 原材料的选择
• 2.1.1 陶瓷粉体的选择
• 2.1.2 基体相的选择
• 2.1.3 固化剂体系的选择
• 2.1.4 溶剂的选择
• 2.1.5 分散法的选择
• 2.2 原材料的预处理
• 2.3 原材料的性能表征
• 2.3.1 聚合物基体的性能表征
• 2.3.1.1 DSC 分析
• 2.3.1.2 介电性能分析
• 2.3.2 陶瓷粉体的性能表征
• 2.3.2.1 BT 的理论结构分析
• 2.3.2.2 BT 的实用结构分析
• 2.3.2.3 BT 的介电性能表征
• 2.4 本章小结
• 第三章 BT/Epoxy 复合材料的制备技术和介电性能研究
• 3.1 BT/Epoxy 复合材料的制备技术
• 3.1.1 BT/Epoxy 复合材料胶液的制备
• 3.1.2 BT/Epoxy 复合材料嵌入式电容器的制备
• 3.2 实验结果与讨论
• 3.2.1 复合材料的微观形貌
• 3.2.2 复合材料的XRD 分析
• 3.2.3 复合材料的热分析
• 3.2.4 复合材料的介电性能分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 主要结论、创新点及进一步研究工作的建议
• 4.1 主要结论
• 4.2 创新点
• 4.3 进一步研究工作的建议
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间参加的研究项目
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢