[发明专利]一种钛酸铜铋钠/聚合物基三相复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种陶瓷/聚合物基三相复合材料，具体涉及一种具有高介电常数的钛酸铜铋钠与聚偏氟乙烯和纳米银粒子的三相复合材料及其制备方法，属于高介电复合材料领域。

背景技术

近年来，随着电子设备发展的日新月异，广泛使用的电容器向高储能、小型化以及有利于环保的方向发展，开发具有良好介电性能，同时又具有较高力学强度和可加工性能的介电材料，特别是高介电常数聚合物基复合材料成为近些年研究的热点之一。陶瓷电介质材料具有非常优异的介电性能，但是多层陶瓷电容器在制造过程中需要丝网电极进行共烧，耗能大，工艺复杂，而且这种介质材料的柔韧性差，在经受机械撞击或者剧烈的温度变化时可能产生裂纹，影响了电容器的使用。聚合物材料具有优良的加工性能、较低的加工温度和较低的介电损耗。但聚合物材料介电常数普遍较低，为了弥补单一组分材料的缺陷，将两种或两种以上的材料进行混合，有望制备出具有优越性能的陶瓷/聚合物基复合材料；但是陶瓷体积分数需要达到50%以上才会体现高介电常数的效果，通常情况下，随着陶瓷填料体积分数的增加，复合材料的介电常数增加的同时，介电损耗也会相应增加，并由于陶瓷材料的弹性模量远大于聚合物基质的弹性模量，这就使得该类复合材料的柔顺性变差，影响到实际应用，所以需要研发更大介电常数且保持较低介电损耗、优良加工性能的复合材料。

现有陶瓷/聚合物两相复合材料由于陶瓷填充量较大，加工性较差，需要高的加工温度，同时成本较高。钛酸铜铋钠（Na_0.5Bi_0.5Cu₃Ti₄O₁₂，简称NBCTO）是一类巨介电陶瓷，其室温介电常数可达10⁴。迄今为止，在聚合物基复合材料中，获得较高介电常数的复合材料多以钛酸钡陶瓷和钛酸铜钙陶瓷为主，而以钛酸铜铋钠为陶瓷相的高介电聚合物基复合材料的研究几乎未见报道。

发明内容

本发明的目的是要提供一种制备工艺简单、原料易得，且具有高介电常数的钛酸铜铋钠/聚合物基三相复合材料及其制备方法；本发明方法能够获得相对介电常数在1KHz下高达202的三相复合材料，在相同介电常数下，由于复合材料含有陶瓷填充量低，因此具有非常好的加工性能，比较低的加工温度，同时材料的介电损耗很低，成本也相对较低。

为实现本发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种钛酸铜铋钠/聚合物基三相复合材料，包括钛酸铜铋钠陶瓷粉末、聚偏氟乙烯和纳米银粒子。

上述技术方案中，按体积百分数，钛酸铜铋钠陶瓷粉末、聚偏氟乙烯和纳米银粒子分别为39～50%、50～60%、余量；并且钛酸铜铋钠陶瓷粉末的体积百分数不为50%；银粒子的粒径为80～120nm；高介电常数钛酸铜铋钠/聚合物基三相复合材料的厚度为1～3mm。本发明的复合材料中，陶瓷占比不到一半，远低于现有高介电复合材料中的陶瓷占比，依然可以取得高达202的介电常数；纳米银均匀分散于有机无机杂化材料的网络中，形成协同热点效应，能够发挥复合材料各组分之间的偶极作用，有利于提高材料的介电性能；而且本发明的复合材料应用性能良好，抗脆性好、不易损坏。

本发明还公开了上述钛酸铜铋钠/聚合物基三相复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将聚偏氟乙烯加入到N,N-二甲基甲酰胺中，得到聚偏氟乙烯溶液；将纳米银粒子加入N,N-二甲基甲酰胺中，得到纳米银溶液；混合聚偏氟乙烯溶液与纳米银溶液，得到混合液；

（2）以CuO、TiO₂、Na₂CO₃和Bi₂O₃为原料，采用固相法制备出钛酸铜铋钠陶瓷粉末；将钛酸铜铋钠陶瓷粉末加入步骤（1）的混合液中，搅拌得到前驱体溶液；

（3）平铺步骤（2）的前驱体溶液，真空干燥得到复合介质膜；然后将复合介质膜置入模具中，热压成型得到钛酸铜铋钠/聚合物基三相复合材料。

上述技术方案中，制备聚偏氟乙烯溶液时，聚偏氟乙烯与N,N-二甲基甲酰胺的体积比为1∶（10～30），经搅拌使其均匀混合；制备纳米银溶液时，采用超声分散使其均匀，超声时间以0.5～1h为宜，通过超声后有助于纳米银粒子均匀分散。