[发明专利]高介电常数的聚合物-钾盐复合膜材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合膜材料及其制备技术，特别涉及一种具有高介电常数的聚合物聚偏氟乙烯(PVDF)与钾盐的复合膜材料及其制备方法，属于介电复合材料领域。

背景技术

高介电材料由于其优良的介电性能，在固态电容器、微波介质元件上有着广泛的应用前景，如：动态随机存储器，大功率电容器等。而高介电陶瓷，如CaCu₃Ti₄O₁₂由于其良好的介电性能得到了广泛的重视。但是，高介电陶瓷虽然具有良好的介电性能，却有较大的脆性和需极高的制备温度，因而限制了其应用，特别是在集成电路上的应用受到了较大限制。

而高介电聚合物基体复合材料拥有一定的韧性和远低于陶瓷的制备温度，且拥有远高于普通聚合物的介电常数而得到越来越多的关注。2000年清华大学的南策文课题组报道了具有高介电常数的PVDF-Ni复合材料，其介电常数为400，远高于纯PVDF小于10的介电常数，之后该课题组还报道了Ni-BaTiO₃/PVDF三相复合材料，其介电常数高达800；2005年，Lai Qi等人报道的银-环氧树脂复合材料也拥有300的介电常数；而宾州州立大学Q.M.Zhang等人在近几年报道多种全聚合物复合材料在1kHz下拥有大于1000的介电常数。但是这些聚合物复合材料的介电常数依然远低于高介电陶瓷的介电常数。

近年来，对于高介电常数复合材料的研究的重点仍然是体材料。然而，随着现代器件发展的小型化和集成化，相对于体材料，更为轻薄的膜材料表现出了它特有的优越性。2007年，Chen等人报道了在PVDF中加入乙炔黑(AB)，以DMF为溶剂，采用浸渍提拉法制成的PVDF/AB复合膜材料在1kHz下拥有大约50的介电常数，但这与高介电陶瓷及块体复合材料相比还有较大的差距。

所以，一种具有能与高介电陶瓷的介电常数相比拟的或者更高的高介电常数，且制备工艺简单、原料易得、成本低廉，能够大面积成膜且易于大规模生产的高介电常数复合膜材料及其制备技术需要尽快研制出来，这也正是本发明的任务所在。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种制备工艺简单、原料易得、成本低廉、能够大面积成膜且易于大规模生产的具有高介电常数及较低介电损耗的聚合物聚偏氟乙烯(PVDF)-钾盐复合膜材料的制备方法，该方法是将聚合物PVDF与钾盐按设计体积分数比制备成混合物，再将混合物制备成高介电常数的复合膜材料；所述方法获得的复合膜材料在1kHz下其相对介电常数高达10²～10⁴，远高于现有复合膜材料小于100的介电常数。

为实现本发明的上述目的，本发明是采用以下措施构成的技术方案来实现的：

本发明提供一种具有高介电常数的聚合物聚偏氟乙烯-钾盐复合膜材料的制备方法，依次包括以下工艺步骤：

(1)将聚合物聚偏氟乙烯(PVDF)与钾盐按照设计的体积分数比100-x∶x计算出所需用量，其比例中所述x的范围为1～99；

(2)根据步骤(1)中计算出的所需用量，用电子天平称量好PVDF和钾盐，然后将它们装入球磨罐中，以无水乙醇为介质，在常规球磨机上球磨4～12小时后成混合粉料，将混合粉料取出置于恒温干燥箱中烘干；

(3)在步骤(2)中得到的PVDF和钾盐的混合粉料中加入10～50ml有机溶剂得混合液体，并用磁力搅拌器于60～100℃下搅拌该混合液体，使其液体中的PVDF充分溶解，再采用超声振荡至钾盐均匀分散在溶解液体中，得复合液体；

(4)将步骤(3)中得到的复合液体缓慢倾倒在经清洁干净的平整玻璃片上使其流延均匀，再将所述玻璃片置于恒温干燥箱中，在60～120℃温度下干燥2～12小时，使有机溶剂蒸发，获得厚度为60～120微米的PVDF-钾盐复合膜；

(5)将步骤(4)中获得的复合膜置于马弗炉中，利用温度控制仪设定升温、保温、降温程序，在80～240℃温度下热处理30～480分钟，之后以20℃/h的降温速率匀速冷却到室温，即制得具有高介电常数的聚合物PVDF-钾盐复合膜材料样品；

(6)将步骤(5)中获得的聚合物PVDF-钾盐复合膜材料样品表面通过离子溅射仪溅射上金属电极，将其在空气中静置24小时之后，测试其介电性能。

上述技术方案中，所述钾盐为碳酸钾(K₂CO₃)。

上述技术方案中，所述有机溶剂为N，N-二甲基甲酰胺(DMF)。