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聚合物铁电复合材料的概述

日期:2021-02-04浏览:1004次

  在自然界中存在的物质一般可分为4大类,即金属、塑料、陶瓷、复合材料。聚合物铁电复合材料是一种聚合物和铁电陶瓷的复合材料。铁电材料具有广泛的应用,因为它的高介电性介电常数。但它具有机械强度差和较低的断裂强度,可以由聚合物矩阵来补偿。聚合物具有良好的机械性能、易于合成、低声波阻抗和高介电击穿强度等优点,但缺点是较低的介质常数。类似地,陶瓷力学性能很差、非常脆弱、声波阻抗高、击穿强度降低,但有着较高的介电常数。此外,通过改变成分的性质,材料的性能可以被调谐为所需要的。因为这是一个比较新的领域,需要做大量的工作来对其进行深入的了解,以便可以有效地用于各种应用。
 
  RosalinBeura等对这方面进行了一定的研究,将聚合物聚乙烯醇(PVA)与铁电陶瓷BaZr0.1Ti0.9O3(BZT)制备成一种聚合物陶瓷复合材料PVA-BZT(比例为90/10,80/20,70/30,60/40,50/50)。BZT粉末是通过固相反应路线制备的,对BaZr0.1Ti0.9O3初步的X射线分析发现完成了单相化合物在立方晶系中形成,铁电化合物的聚合物复合材料是以聚乙烯醇为聚合物基体制备的。扫描电镜结果显示BZT颗粒分布均匀无多孔基体。在50~150℃的温度范围,102~106Hz的频率范围内,对该材料的介电和阻抗性能进行了详细的研究,发现这些性能对温度和频率是高度依赖的。如图2和3所示,在较低的频率,介电常数和介电损耗均随着温度的增加而增加(以PVA+40%(体积分数)为例)。
 
  另外,有研究指出陶瓷与聚合物复合可以大大提高材料的耐击穿强度。研究发现,陶瓷粒子与聚合物之间的相互作用在改善复合材料的介电性能中起到了非常重要的作用。适当的延伸聚合物可以增加聚合物的介电击穿强度。将无机填充剂与生物矩阵形成一个架桥矩阵,使无机相和有机相之间形成交联结构。例如,在XiaoliangDou等的研究中发现,钛酸盐和BT发生反应主要是钛酸盐的碳烷基链和BT表面的羟基反应,使烷烃和有机体发生纠缠,此过程加固钛酸盐和BT之间的不同属性键连接更加坚定。
 
  BT的钛酸盐与PVDF之间的相互交联会导致有机相与无机相之间形成一个狭窄的接口,此外BT可以适当延长PVDF涂层矩阵导致刃型位错,BT粒子杂质增加PVDF的缺陷,这些因素导致更多和更深的陷阱,使复合材料的空间电荷增加,从而增加材料的耐击穿强度。JunjunLi等在研究电能储存在含有钛酸钡纳米颗粒的铁电聚合物纳米材料中,相比于不含BaTiO3纳米粒子的聚合物材料,含20%(体积分数)BaTiO3纳米粒子聚合物陶瓷复合材料的电场位移密度较小(在100MV/m的电场下,电位移密度低于3.3C/cm2);含30%BaTiO3,能量密度较高(约是聚合物材料的2倍);含5%BaTiO3,结晶温度提升(从100℃升至106℃),聚合物融化热升高(从18.3J/g升至20.7J/g),结晶度增加(从21%升至24%)。
 
  也有研究者利用酞菁铜齐聚物和P(VDF-TrFE)聚合物开发了适用于高效能电能储存器的有机铁电材料,即陶瓷/聚合物0-3复合材料以及介电常数高于1000的聚合物复合材料,可用于电子包装、超级电容器等领域。聚合物铁电复合材料应用价值巨大,还需要进行更加细致深入的研究。

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