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對一種超高介電常數(shù)材料的研究
高介電材料具有非常廣泛的應(yīng)用，評估該材料性能的主要參數(shù)之一是介電常數(shù)。因此，制備高性能的介電材料，首先就是要提高它的介電常數(shù)。電介質(zhì)材料的介電常數(shù)主要源自于材料內(nèi)部的極化，要想提高材料的介電常數(shù)，本文必須增強材料內(nèi)部極化的強度。從第一章可知，電介質(zhì)在電場下極化的分子機理比較復(fù)雜，主要包括四種：界面極化、偶極取向、離子極化和電子極化。其中，偶極取向、離子極化及電子極化和材料的組成及它們本征電性能有關(guān)，而界面極化除了和材料本征電性能有關(guān)外，還和復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)有關(guān)。為了制備具有高介電常數(shù)的納米聚合物復(fù)合材料，本文通過選擇合適的高介電納米填料和聚合物基體來提高偶極取向、離子極化和電子極化，并通過納米*的結(jié)構(gòu)來設(shè)計的界面結(jié)構(gòu)來提高界面極化，從而大幅提高復(fù)合材料的介電常數(shù)。
首先，本文選擇尺寸為 100 納米的鈦酸鋇顆粒作為填料，來提高聚合物復(fù)合材料的介電常數(shù)。鈦酸鋇是一種常見的鐵電陶瓷，能夠自發(fā)極化，有很高的的介電常數(shù)。同時，鈦酸鋇還有很好的絕緣性能和穩(wěn)定性，其表面存在有反應(yīng)活性羥基官能團，為后面設(shè)計特殊的界面結(jié)構(gòu)提供了可行性。和其他常見的的高介電填料，如二氧化鈦、氧化鋅和氧化鋯等無機顆粒相比，鈦酸鋇有很大的優(yōu)勢，因此被廣泛用于制備高介電聚合物復(fù)合材料[。人們還研究發(fā)現(xiàn)，選用納米填料比選用微米填料更有利于提高復(fù)合材料的電性能[，一方面，納米填料有較大的比表面積，可以增大復(fù)合材料中的界面面積，從而增強界面極化，提高介電常數(shù)；另一方面，往聚合物中添加納米填料可以提高復(fù)合材料的介電強度，提升材料的實用價值。同時，鈦酸鋇的介電常數(shù)和它自身的粒徑有關(guān)，在 1微米左右達到最大值，然后隨尺寸的減小而減小，小于 100 納米時，迅速減小。綜合考慮鈦酸鋇的納米效應(yīng)和它自身的介電常數(shù)，本文選用鈦酸鋇的尺寸為 100納米。
其次，本文選用具有很高介電常數(shù)的聚合物偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物（PVDF-TrFE-CFE）作為基體，來提高復(fù)合材料的介電常數(shù)。大部分聚合物的介電常數(shù)都比較小，通常小于 10。然而，聚偏氟乙烯（PVDF）及其共聚物因為內(nèi)部有強極性的 C-F 鍵并且偶極能自發(fā)極化，介電常數(shù)較高，特別是PVDF-TrFE-CFE，在常溫下 1 kHz 時的介電常數(shù)就超過 40。具有高介電常數(shù)的聚合物基體對提高復(fù)合材料的介電常數(shù)具有很重要的意義。
另外，本文還通過用超支化聚酰胺包覆鈦酸鋇納米顆粒，形成一種特殊的核-殼結(jié)構(gòu)，提高復(fù)合材料的介電常數(shù)。復(fù)合材料的界面極化除了和復(fù)合材料各組份的性質(zhì)有關(guān)外，還和復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)有關(guān)。我們知道，界面極化是由于電荷在界面處聚集引起的。因此，本文可以通過設(shè)計有利于電荷聚集的特殊結(jié)構(gòu)，來提高界面極化。在這里，本文選用超支化聚酰胺包覆鈦酸鋇，是因為和其他聚合物相比，超支化聚酰胺具有較高的電導(dǎo)率和介電常數(shù)。在界面處插入一層超支化聚酰胺，能夠促進電荷往界面聚集，從而提高界面極化。