DOI:10. 13801/j.cn k i . f h clxb. 2003. 03. 025复合材料学报
第20卷 第3期 6月 2003年
AC T A M A T ERIA E COM PO SI T AE SIN ICA V o l. 20 N o. 3 June 2003
文章编号:1000-3851(2003) 03-0122-05
聚偏氟乙烯-钛酸钡复合
材料的介电性能
董丽杰, 熊传溪, 陈 娟, 刘起虹, 王雁冰, 任中奎
(武汉理工大学材料学院, 材料复合新技术国家重点实验室, 武汉430070)
摘 要: 用钛酸酯和钛酸丁酯偶联剂对Ba TiO 3粉进行表面处理, 使用熔融法制备了Ba TiO 3/PV D F 复合材料薄片。通过疏水亲油实验定性地分析了钛酸酯和钛酸丁酯偶联剂对Ba TiO 3粉的偶联作用, 通过测定Ba TiO 3/PV DF 的介电常数和介电损耗角正切值表征了复合材料的介电性能, Ba TiO 3/PV DF 扫描电子显微镜(SEM ) 的微观形态分析发现, 经过偶联剂表面处理, Ba TiO 3粉在PV DF 中的分散情况改善。关键词: Ba TiO 3/PV D F ; 偶联剂; 介电性能中图分类号: T B332 文献标识码:A
DIELECT RIC PROPERTY OF BaTiO 3/PVDF C OMPOS ITE
PREPA RED BY A MELT PROCESS
DON G Lijie , XIONG Chuanxi , C HEN Juan , LIU Qiho ng , W ANG Yanbing , REN Zhong kui
(State Key Labora to ry o f W uha n U niv ersity of T echnolog y , Wuhan 430070, China )
: The polyviny lidene fluoride (PV DF ) w ith barium titanate (BaTiO 3) w as prepared in melt Abstract
as a dielectric com posite. Ba TiO 3was modified by titanate coupling agent and Ti(OBu) 4coupling a-gent. The dielectric properties and the interfacial interaction of the composite w ere examined. It is found tha t the dielectric constant can reach the highest value when the B a TiO 3pa rticle is modified by coupling ag ent contents of 60%and the dielectric loss has a max value when the Ba TiO 3particle is m odified by coupling ag ent of about 30%. The SEM microg raphs of Ba TiO 3/PVDFshow that the in-terfacial interactio n betw een PV DF and Ba TiO 3, the weight fraction of Ba TiO 3and the size of modi-fied BaTiO 3a re the keys to the dielectric properties of Ba TiO 3/PVDF dielectric com posite . Key words : Ba TiO 3/PVDF ; coupling ag ent; dielectric properties 利用高聚物材料优良的力学性能、成膜性和陶瓷材料良好的电性能进行复合是获得薄膜智能材料的一条新途径
[1,2, 5]
Ba TiO 3具有很高的介电性、较强的压电性和大的机电耦合系数, 但其成型温度较高、制备工艺较复杂、不易制得较薄的薄片材料, 并且由于它固有的脆性, 使其应用受到了很大的限制, 将二者复合预期使复合材料的介电常数由PV DF 的6. 67提高到20以上, 获得高介电常数、低介电损耗的薄片复合材料。 本文中将Ba TiO 3陶瓷粉经偶联剂处理, 与
PV DF 进行熔融复合, 解决了溶液复合中不易制备薄片材料的缺点。BaTiO 3陶瓷粉经过偶联剂处理后, 在不影响复合材料介电常数的前提下, 促进了
[6]
。将具有电学性能的陶瓷和聚合
物复合, 所得材料可以克服陶瓷材料自身的脆性和聚合物材料的温度限制, 可以成倍提高复合材料的某些电性能。聚偏二氟乙烯(PV DF) 与其它的聚合物相比, 具有强压电热电性, 声阻抗与液体、生物体声阻抗相匹配, 电声响应频率曲线平滑, 信噪比高, 化学稳定性好, 易制成大面积柔韧薄膜等优点, 但其使用温度较低, 压电系数和机电耦合系数也较小;
收稿日期:基金项目:作者介绍:通讯作者:
2001-11-27; 收修改稿日期:2002-02-25教育部骨干教师支持项目
董丽杰(1973-) , 女, 博士研究生, 讲师, 研究方向:聚合物基功能复合材料。熊传溪, E -mail :xchuanxi @public . wh . h b . cn
董丽杰, 等:聚偏氟乙烯-钛酸钡复合材料介电的性能
·123·
BaTiO 3在PVDF 基体中的分散, 两相间的界面结合改善, 界面损耗降低, 使介电损耗角正切明显减小,
获得了介电性能较好的薄片复合材料。
1 实验部分
1. 1 原 料
PV DF :上海有机氟材料研究所; Ba TiO 3:武汉市陶瓷元件厂; 钛酸酯:NDZ101, 武汉大学化工厂; 钛酸丁酯:化学纯, 武汉大学化工厂。1. 2 制 备
1. 2. 1 偶联剂包覆B a TiO 3介电陶瓷粉
将研细的Ba TiO 3陶瓷粉分别在一定浓度的钛酸酯石油醚溶液和钛酸丁酯石油醚溶液中搅拌2小时, 在室温下使溶剂挥发, 再在烘箱中干燥至恒重, 得到偶联剂包覆处理的Ba TiO 3粉。1. 2. 2 介电复合材料试样的制备
按不同比例准确称取一定量的PVDF 和处理过或没处理过的BaTiO 3粉末, 将PV DF 加入XSS-300转矩流变仪, 在180℃下进行熔化, 充分熔融后, 加入Ba TiO 3粉末, 在200℃下混炼8min , 然后在平板硫化机上压制成厚度均匀的薄片。
1. 3 表 征
用疏水亲油实验分析偶联剂处理前后BaTiO 3陶瓷粉末的性能变化。疏水性实验是将定量的偶联剂处理前后的Ba TiO 3粉末倒入盛有水的试管中, 放置24h, 取出浮在水面上的粉末, 干燥后称量, 计算吸水的粉末所占的比例; 亲油性实验是测量一定量的偶联剂处理前后的BaTiO 3粉末吸收油性物(邻苯二甲酸酐二丁酯) 的质量。 介电常数X 和介电损耗角正切tg W 用上海无线电仪器厂生产的高频Q 表测定, 样品选取H 50m m 的圆片, 进行打磨、抛光后于10k Hz 、30℃下测定。 将所制备的复合材料薄片进行脆断, 喷金后用J X A -840型扫描电镜对断面进行形态分析。
3
图1 两种偶联剂处理的BaTiO 3的疏水亲油值F ig. 1 Hyd rophobic and l ipophilic values of modified BaTiO 3
对于钛酸酯处理的体系, 当偶联剂重量百分比含量为1%、2%和4%的改性效果都比较接近, 2%的改性效果最好, 钛酸丁酯处理的体系, 偶联剂重量百分比含量为1%、2%、3%和4%的改性效果也比较接近, 含量为3%时略有升高; 当含量为5%时, 两种偶联剂的疏水亲油值都明显减小, 这是由于偶联剂的用量太多反而会影响对BaTiO 3粉末的包覆, 偶联剂用量对疏水性和亲油性的改善有很大影响。2. 2 介电性能分析2. 2. 1 介电常数X
图2(a ) 、2(b ) 分别为复合材料中的B a TiO 3用不同浓度的钛酸酯偶联剂和钛酸丁酯偶联剂表面包覆时材料的介电常数X 随B a TiO 3质量分数的变化曲线。在频率为10k Hz 时, 随着Ba TiO 3含量的增加, 复合材料的介电常数逐渐增大, 当Ba TiO 3的质量分数为60%时, 复合材料的介电常数接近最大值, 这是由于复合材料中Ba TiO 3较高的介电性能引起的。本实验能混炼的材料最高无机含量是在60%, Muralidhai 等人介绍当BaTiO 3小于70%时, 3
2 结果与讨论
2. 1 疏水亲油实验
两种偶联剂处理的Ba TiO 3的疏水亲油值见图1(a ) 、1(b ) 。由图中可以看出, 处理过的Ba TiO 3的疏水性亲油性都有所提高。两种偶联剂的用量对疏水亲油值的影响趋势是一致的。随偶联剂用量的增加, 疏水亲油值都是先增加后减小, 其中钛酸酯偶联剂
。
·124·
复 合 材 料 学 报
图2 介电常数X 随BaTiO 3质量分数的变化曲线Fig. 2 Dependence of the dielectric constan t of Ba TiO 3/PVDF
modified by NDZ101and Ti(OBu) 4on
the w eight fraction of Ba TiO 3
图3 介电损耗角正切tg W 随Ba TiO 3质量分数的变化曲线
Dependence of the dielectric dissipation of Fig . 3
BaTiO 3/PVDFmodified by NDZ101and Ti(OBu) 4
on th e w eight fraction of BaTiO 3
加, 这与研究结果基本吻合
[3,4]
。
通过图线还可以发现:在前面疏水亲油实验中BaTiO 3经过偶联剂处理后疏水亲油性改善, 但改性的复合材料的介电常数却不随改性BaTiO 3的疏水亲油值成规律性的变化, 而未经过偶联剂处理的, 也就是0%的样品的介电常数比改性BaTiO 3复合材料的介电常数还有所提高, 这种异常现象可能是由于PVDF 是一种极性高聚物, B a TiO 3经过偶联剂处理后非极性增强, 两种物质间的相互作用较小, 而熔融混合过程中较大的剪切力会破坏两相之间的结合, 这也可能是熔融混合法不易制备高无机含量复合材料的原因。
2. 2. 2 介质损耗角正切tg W
将不同Ba TiO 3质量分数的Ba TiO 3/PVDF 复合材料在10k Hz 、30℃下测定它们的介电损耗角正切tg W , 其tg W 值与Ba TiO 3质量分数的关系曲线如图3所示。图3(a ) 、3(b ) 分别为复合材料中的
3[6]
联剂表面包覆时材料的介电损耗角正切tg W 随Ba-TiO 3质量分数的变化曲线图。两种偶联剂改性效果相似, 复合材料的介电损耗角正切值随着Ba TiO 3粒
子重量百分比的增加先增加后减小, 钛酸钡用量在30%时两种偶联剂作用下的复合材料的介电损耗都达到最大值; 从图中比较发现, 未经偶联剂处理的Ba TiO 3/PVDF 的介电损耗最大, 改性的Ba TiO 3/PV DF 的介电损耗降低, 且比较接近, 这是由于高聚物PV DF 本身的介电损耗极低, 约为10-4数量级, 而BaTiO 3是一种铁电体, 介电损耗正切较大, 约为10数量级, 两相界面由偶联剂相联, 电子云分布比较均匀, 松弛极化电流小, 引起的介电损耗也较小, 因此, 偶联剂的存在降低了复合材料的介电损耗。 综合以上介电常数X 和介电损耗角正切tg W 实验结果可以看出, 在钛酸钡含量为60%时, 介电常数几乎达到最大值, 介电损耗也较小, 偶联剂的改性效果对复合材料的介电常数X 贡献较小, 但可以降低复合材料的介电损耗角正切tg W , 使用偶联剂有。
-2
董丽杰, 等:聚偏氟乙烯-钛酸钡复合材料介电的性能
·125·
图4 BaTiO 3/PVDF介电复合材料薄片的S EM 照片F ig. 4 SEM micrographs of th e BaTiO 3/PVDFdielectric compos ite
2. 3 形态分析
将改性和未改性的BaTiO 3粉末按60%(重量
分数) 的比例与PVDF 熔融混合, 制备的复合材料薄片的SEM 照片如图4所示。没有经过表面处理的Ba TiO 3与PVDF 复合材料的电镜照片, 颗粒状的Ba TiO 3粒子聚集成团分散在聚合物PV DF 中, 两相结构明显, Ba TiO 3界面光滑, 且与基质间的界面清晰, 两相间的界面粘合较差。BaTiO 3分别用2%和4%的钛酸酯偶联剂进行处理, 无机粒子在PV DF 中的分散不均匀, 其中的无机粒子聚集成团, 但颗粒尺寸有所减小, BaTiO 3(4%NDZ101) /PVDF 中无机粒子的分散性稍好于Ba TiO 3(2%NDZ101) /PV DF 。B a TiO 3分别用3%和5%的钛酸丁酯溶液进行处理, 无机粒子也是聚集成团, Ba TiO 3(3%Ti (, 与其他样品相比显著改善, B a TiO 3(5%Ti (OBu ) 4) /
PV DF 样品中无机粒子的颗粒尺寸明显减小, 分散性也比较理想, 界面结合有所改善。
结合介电性能数据分析, Ba TiO 3(2%N DZ) /PV DF 、Ba TiO 3(4%NDZ) /PVDF和B a TiO 3(3%Ti (OBu ) 4) /PV DF 的介电常数与Ba TiO 3/PVDF 的介电常数比较接近, 而Ba TiO 3(5%Ti (OBu ) 4) /PVDF 的介电常数有所提高, 而且介电损耗不大, 由此可以推测, 无机粒子的粒径大小和两相界面的结合程度以及无机粒子分散程度都是影响复合材料介电性能的关键因素。
3 结 论
(1) 用偶联剂处理后的钛酸钡粉末, 由亲水性
·126·
复 合 材 料 学 报
(2) 在Ba TiO 3/PVDF复合材料体系中, 当钛酸钡含量为60%时, 介电常数达到最大值; 介电损耗角正切值在30%时出现极大值, 高于30%时, 介电损耗角正切值减小。
(3) 偶联剂的改性效果对复合材料的介电常数贡献较小, 但可以降低复合材料的介电损耗角正X
切tg W 。 (4) 改性钛酸钡粉末在PVDF 基体中分散程度、粒径尺寸及界面结合情况都是影响复合材料介电性能的因素。
(5) 熔融混合过程中较大的剪切力容易破坏聚合物与偶联剂处理后的无机粒子之间极性与非极性
的相互作用。参考文献:
[1] Bolt J D, French R H . Advanced Materials &Proc esses , 1988,
34(1):32.
[2] Sinh a D, Pillai P K C. J Mater Sci Lett , 1989, 8(6):673. [3] M uralidhai C , P illai P K C . J Mater Sci Lett , 1988, 23(2):
410.
[4] M ural idh ai C, Pillai P K C. J Mater Sci Lett , 1987, 6(3):346. [5] 王树彬, 徐廷献, 韩杰才, 等. PZT /PVDF 压电复合材料的制
备及其性能研究[J].复合材料学报. 2000, 17(4):1. [6] 熊传溪, 董丽杰, 陈 娟. 改性PVDF/BaTiO3复合材料介电
性能研究[J ].高分子材料科学与工程, 2003, 19(1):152.
DOI:10. 13801/j.cn k i . f h clxb. 2003. 03. 025复合材料学报
第20卷 第3期 6月 2003年
AC T A M A T ERIA E COM PO SI T AE SIN ICA V o l. 20 N o. 3 June 2003
文章编号:1000-3851(2003) 03-0122-05
聚偏氟乙烯-钛酸钡复合
材料的介电性能
董丽杰, 熊传溪, 陈 娟, 刘起虹, 王雁冰, 任中奎
(武汉理工大学材料学院, 材料复合新技术国家重点实验室, 武汉430070)
摘 要: 用钛酸酯和钛酸丁酯偶联剂对Ba TiO 3粉进行表面处理, 使用熔融法制备了Ba TiO 3/PV D F 复合材料薄片。通过疏水亲油实验定性地分析了钛酸酯和钛酸丁酯偶联剂对Ba TiO 3粉的偶联作用, 通过测定Ba TiO 3/PV DF 的介电常数和介电损耗角正切值表征了复合材料的介电性能, Ba TiO 3/PV DF 扫描电子显微镜(SEM ) 的微观形态分析发现, 经过偶联剂表面处理, Ba TiO 3粉在PV DF 中的分散情况改善。关键词: Ba TiO 3/PV D F ; 偶联剂; 介电性能中图分类号: T B332 文献标识码:A
DIELECT RIC PROPERTY OF BaTiO 3/PVDF C OMPOS ITE
PREPA RED BY A MELT PROCESS
DON G Lijie , XIONG Chuanxi , C HEN Juan , LIU Qiho ng , W ANG Yanbing , REN Zhong kui
(State Key Labora to ry o f W uha n U niv ersity of T echnolog y , Wuhan 430070, China )
: The polyviny lidene fluoride (PV DF ) w ith barium titanate (BaTiO 3) w as prepared in melt Abstract
as a dielectric com posite. Ba TiO 3was modified by titanate coupling agent and Ti(OBu) 4coupling a-gent. The dielectric properties and the interfacial interaction of the composite w ere examined. It is found tha t the dielectric constant can reach the highest value when the B a TiO 3pa rticle is modified by coupling ag ent contents of 60%and the dielectric loss has a max value when the Ba TiO 3particle is m odified by coupling ag ent of about 30%. The SEM microg raphs of Ba TiO 3/PVDFshow that the in-terfacial interactio n betw een PV DF and Ba TiO 3, the weight fraction of Ba TiO 3and the size of modi-fied BaTiO 3a re the keys to the dielectric properties of Ba TiO 3/PVDF dielectric com posite . Key words : Ba TiO 3/PVDF ; coupling ag ent; dielectric properties 利用高聚物材料优良的力学性能、成膜性和陶瓷材料良好的电性能进行复合是获得薄膜智能材料的一条新途径
[1,2, 5]
Ba TiO 3具有很高的介电性、较强的压电性和大的机电耦合系数, 但其成型温度较高、制备工艺较复杂、不易制得较薄的薄片材料, 并且由于它固有的脆性, 使其应用受到了很大的限制, 将二者复合预期使复合材料的介电常数由PV DF 的6. 67提高到20以上, 获得高介电常数、低介电损耗的薄片复合材料。 本文中将Ba TiO 3陶瓷粉经偶联剂处理, 与
PV DF 进行熔融复合, 解决了溶液复合中不易制备薄片材料的缺点。BaTiO 3陶瓷粉经过偶联剂处理后, 在不影响复合材料介电常数的前提下, 促进了
[6]
。将具有电学性能的陶瓷和聚合
物复合, 所得材料可以克服陶瓷材料自身的脆性和聚合物材料的温度限制, 可以成倍提高复合材料的某些电性能。聚偏二氟乙烯(PV DF) 与其它的聚合物相比, 具有强压电热电性, 声阻抗与液体、生物体声阻抗相匹配, 电声响应频率曲线平滑, 信噪比高, 化学稳定性好, 易制成大面积柔韧薄膜等优点, 但其使用温度较低, 压电系数和机电耦合系数也较小;
收稿日期:基金项目:作者介绍:通讯作者:
2001-11-27; 收修改稿日期:2002-02-25教育部骨干教师支持项目
董丽杰(1973-) , 女, 博士研究生, 讲师, 研究方向:聚合物基功能复合材料。熊传溪, E -mail :xchuanxi @public . wh . h b . cn
董丽杰, 等:聚偏氟乙烯-钛酸钡复合材料介电的性能
·123·
BaTiO 3在PVDF 基体中的分散, 两相间的界面结合改善, 界面损耗降低, 使介电损耗角正切明显减小,
获得了介电性能较好的薄片复合材料。
1 实验部分
1. 1 原 料
PV DF :上海有机氟材料研究所; Ba TiO 3:武汉市陶瓷元件厂; 钛酸酯:NDZ101, 武汉大学化工厂; 钛酸丁酯:化学纯, 武汉大学化工厂。1. 2 制 备
1. 2. 1 偶联剂包覆B a TiO 3介电陶瓷粉
将研细的Ba TiO 3陶瓷粉分别在一定浓度的钛酸酯石油醚溶液和钛酸丁酯石油醚溶液中搅拌2小时, 在室温下使溶剂挥发, 再在烘箱中干燥至恒重, 得到偶联剂包覆处理的Ba TiO 3粉。1. 2. 2 介电复合材料试样的制备
按不同比例准确称取一定量的PVDF 和处理过或没处理过的BaTiO 3粉末, 将PV DF 加入XSS-300转矩流变仪, 在180℃下进行熔化, 充分熔融后, 加入Ba TiO 3粉末, 在200℃下混炼8min , 然后在平板硫化机上压制成厚度均匀的薄片。
1. 3 表 征
用疏水亲油实验分析偶联剂处理前后BaTiO 3陶瓷粉末的性能变化。疏水性实验是将定量的偶联剂处理前后的Ba TiO 3粉末倒入盛有水的试管中, 放置24h, 取出浮在水面上的粉末, 干燥后称量, 计算吸水的粉末所占的比例; 亲油性实验是测量一定量的偶联剂处理前后的BaTiO 3粉末吸收油性物(邻苯二甲酸酐二丁酯) 的质量。 介电常数X 和介电损耗角正切tg W 用上海无线电仪器厂生产的高频Q 表测定, 样品选取H 50m m 的圆片, 进行打磨、抛光后于10k Hz 、30℃下测定。 将所制备的复合材料薄片进行脆断, 喷金后用J X A -840型扫描电镜对断面进行形态分析。
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图1 两种偶联剂处理的BaTiO 3的疏水亲油值F ig. 1 Hyd rophobic and l ipophilic values of modified BaTiO 3
对于钛酸酯处理的体系, 当偶联剂重量百分比含量为1%、2%和4%的改性效果都比较接近, 2%的改性效果最好, 钛酸丁酯处理的体系, 偶联剂重量百分比含量为1%、2%、3%和4%的改性效果也比较接近, 含量为3%时略有升高; 当含量为5%时, 两种偶联剂的疏水亲油值都明显减小, 这是由于偶联剂的用量太多反而会影响对BaTiO 3粉末的包覆, 偶联剂用量对疏水性和亲油性的改善有很大影响。2. 2 介电性能分析2. 2. 1 介电常数X
图2(a ) 、2(b ) 分别为复合材料中的B a TiO 3用不同浓度的钛酸酯偶联剂和钛酸丁酯偶联剂表面包覆时材料的介电常数X 随B a TiO 3质量分数的变化曲线。在频率为10k Hz 时, 随着Ba TiO 3含量的增加, 复合材料的介电常数逐渐增大, 当Ba TiO 3的质量分数为60%时, 复合材料的介电常数接近最大值, 这是由于复合材料中Ba TiO 3较高的介电性能引起的。本实验能混炼的材料最高无机含量是在60%, Muralidhai 等人介绍当BaTiO 3小于70%时, 3
2 结果与讨论
2. 1 疏水亲油实验
两种偶联剂处理的Ba TiO 3的疏水亲油值见图1(a ) 、1(b ) 。由图中可以看出, 处理过的Ba TiO 3的疏水性亲油性都有所提高。两种偶联剂的用量对疏水亲油值的影响趋势是一致的。随偶联剂用量的增加, 疏水亲油值都是先增加后减小, 其中钛酸酯偶联剂
。
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图2 介电常数X 随BaTiO 3质量分数的变化曲线Fig. 2 Dependence of the dielectric constan t of Ba TiO 3/PVDF
modified by NDZ101and Ti(OBu) 4on
the w eight fraction of Ba TiO 3
图3 介电损耗角正切tg W 随Ba TiO 3质量分数的变化曲线
Dependence of the dielectric dissipation of Fig . 3
BaTiO 3/PVDFmodified by NDZ101and Ti(OBu) 4
on th e w eight fraction of BaTiO 3
加, 这与研究结果基本吻合
[3,4]
。
通过图线还可以发现:在前面疏水亲油实验中BaTiO 3经过偶联剂处理后疏水亲油性改善, 但改性的复合材料的介电常数却不随改性BaTiO 3的疏水亲油值成规律性的变化, 而未经过偶联剂处理的, 也就是0%的样品的介电常数比改性BaTiO 3复合材料的介电常数还有所提高, 这种异常现象可能是由于PVDF 是一种极性高聚物, B a TiO 3经过偶联剂处理后非极性增强, 两种物质间的相互作用较小, 而熔融混合过程中较大的剪切力会破坏两相之间的结合, 这也可能是熔融混合法不易制备高无机含量复合材料的原因。
2. 2. 2 介质损耗角正切tg W
将不同Ba TiO 3质量分数的Ba TiO 3/PVDF 复合材料在10k Hz 、30℃下测定它们的介电损耗角正切tg W , 其tg W 值与Ba TiO 3质量分数的关系曲线如图3所示。图3(a ) 、3(b ) 分别为复合材料中的
3[6]
联剂表面包覆时材料的介电损耗角正切tg W 随Ba-TiO 3质量分数的变化曲线图。两种偶联剂改性效果相似, 复合材料的介电损耗角正切值随着Ba TiO 3粒
子重量百分比的增加先增加后减小, 钛酸钡用量在30%时两种偶联剂作用下的复合材料的介电损耗都达到最大值; 从图中比较发现, 未经偶联剂处理的Ba TiO 3/PVDF 的介电损耗最大, 改性的Ba TiO 3/PV DF 的介电损耗降低, 且比较接近, 这是由于高聚物PV DF 本身的介电损耗极低, 约为10-4数量级, 而BaTiO 3是一种铁电体, 介电损耗正切较大, 约为10数量级, 两相界面由偶联剂相联, 电子云分布比较均匀, 松弛极化电流小, 引起的介电损耗也较小, 因此, 偶联剂的存在降低了复合材料的介电损耗。 综合以上介电常数X 和介电损耗角正切tg W 实验结果可以看出, 在钛酸钡含量为60%时, 介电常数几乎达到最大值, 介电损耗也较小, 偶联剂的改性效果对复合材料的介电常数X 贡献较小, 但可以降低复合材料的介电损耗角正切tg W , 使用偶联剂有。
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董丽杰, 等:聚偏氟乙烯-钛酸钡复合材料介电的性能
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图4 BaTiO 3/PVDF介电复合材料薄片的S EM 照片F ig. 4 SEM micrographs of th e BaTiO 3/PVDFdielectric compos ite
2. 3 形态分析
将改性和未改性的BaTiO 3粉末按60%(重量
分数) 的比例与PVDF 熔融混合, 制备的复合材料薄片的SEM 照片如图4所示。没有经过表面处理的Ba TiO 3与PVDF 复合材料的电镜照片, 颗粒状的Ba TiO 3粒子聚集成团分散在聚合物PV DF 中, 两相结构明显, Ba TiO 3界面光滑, 且与基质间的界面清晰, 两相间的界面粘合较差。BaTiO 3分别用2%和4%的钛酸酯偶联剂进行处理, 无机粒子在PV DF 中的分散不均匀, 其中的无机粒子聚集成团, 但颗粒尺寸有所减小, BaTiO 3(4%NDZ101) /PVDF 中无机粒子的分散性稍好于Ba TiO 3(2%NDZ101) /PV DF 。B a TiO 3分别用3%和5%的钛酸丁酯溶液进行处理, 无机粒子也是聚集成团, Ba TiO 3(3%Ti (, 与其他样品相比显著改善, B a TiO 3(5%Ti (OBu ) 4) /
PV DF 样品中无机粒子的颗粒尺寸明显减小, 分散性也比较理想, 界面结合有所改善。
结合介电性能数据分析, Ba TiO 3(2%N DZ) /PV DF 、Ba TiO 3(4%NDZ) /PVDF和B a TiO 3(3%Ti (OBu ) 4) /PV DF 的介电常数与Ba TiO 3/PVDF 的介电常数比较接近, 而Ba TiO 3(5%Ti (OBu ) 4) /PVDF 的介电常数有所提高, 而且介电损耗不大, 由此可以推测, 无机粒子的粒径大小和两相界面的结合程度以及无机粒子分散程度都是影响复合材料介电性能的关键因素。
3 结 论
(1) 用偶联剂处理后的钛酸钡粉末, 由亲水性
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(2) 在Ba TiO 3/PVDF复合材料体系中, 当钛酸钡含量为60%时, 介电常数达到最大值; 介电损耗角正切值在30%时出现极大值, 高于30%时, 介电损耗角正切值减小。
(3) 偶联剂的改性效果对复合材料的介电常数贡献较小, 但可以降低复合材料的介电损耗角正X
切tg W 。 (4) 改性钛酸钡粉末在PVDF 基体中分散程度、粒径尺寸及界面结合情况都是影响复合材料介电性能的因素。
(5) 熔融混合过程中较大的剪切力容易破坏聚合物与偶联剂处理后的无机粒子之间极性与非极性
的相互作用。参考文献:
[1] Bolt J D, French R H . Advanced Materials &Proc esses , 1988,
34(1):32.
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