1、毕业论文文献综述应用物理聚合物/导电粒子的介电改性研究摘要现代电子科技的迅猛发展,对电子材料的介电性能提出了越来越高的要求,希望能得到具有高介电系数、低损耗、易加工等综合性能优越的新型电子材料。电子设备与元件的多功能化、小型化也要求在相同体积情况下,希望获得重量轻和高储能密度的大电容,这就必须采用以密度小、介电常数高的有机材料作为电容器介质,按照有机薄膜电容器的制备工艺生产大电容值的电力电容。本项目制备出的导电粒子复合材料具有均匀的结构和极好的频率稳定性，高介电常数低损耗。此纳米复合材料，在信息存储、生物技术等方面具有广泛的应用。关键词介电性能渗流效应复合材料成果导电粒子历史背景现代电子科技的
2、迅猛发展,对电子材料的介电性能提出了越来越高的要求,希望能得到具有高介电系数、低损耗、易加工等综合性能优越的新型电子材料。电子设备与元件的多功能化、小型化也要求在相同体积情况下,希望获得重量轻和高储能密度的大电容,这就必须采用以密度小、介电常数高的有机材料作为电容器介质,按照有机薄膜电容器的制备工艺生产大电容值的电力电容。而作为有机电介质，一般聚合物电介质材料（如PVDF等）的介电常数普遍很低（小于10）,如何在保持聚合物优异性能的同时极大地提高聚合物的介电常数、降低介电损耗就成为当前电子科技发展需要解决的一个重要课题。研究现状及研究原理近年来，研究人员又提出了对聚合物介电性能改性的新途径，在
3、聚合物基体中加入一些导电颗粒，当导电颗粒的含量比较少时，的变化并不明显，但是随着导电颗粒含量的增加，复合材料内部微观结构发生了巨大的变化，体系由绝缘体向导体转变，进而发生渗流效应5。介电常数随着导电颗粒含量的变化关系可以用下式表示0|（C1）/C|Q6其中C为渗流阈值，1为导电颗粒的体积分数，Q为临界指数（一般约等于1）。这样确实能使复合物的介电常数增大,如PVDF中SSF（STAINLESSSTEELFIBER）的含量接近渗流阈值时，介电常数可达427，是纯PVDF的40多倍7。PVDF与镍的复合物中，值也达到了400左右，损耗很小。党智敏研9究小组发现在PVDF/碳纳米管复合材料渗流值为8
4、，介电常数为600（1KHZ）；PANDA等报道PVDF/NI复合材料在渗流值为27时介电常数达到2050（100HZ）；FUANHE等在PVDF/膨胀石墨复合体系中发现在渗流值为1时介电常数达到2700（100HZ）。然而，基于渗流理论，只有在渗流阈值附近，体系由绝缘体向导体转变时，介电常数才迅速增加，同时介电损耗也急剧增加（从2到20以上）。因此，如何利用渗流效应提高介电性能的同时降低损耗又成为另外一个重要问题。尽管有人尝试对填充的金属粒子进行表面修饰以达到较低损耗（如5），但是相应的介电常数出现严重变异。总的来说，介电常数的提高及性能改进仍不尽人意，如何进一步提高聚合物基电介质材料的介电
5、性能仍需不断深入探索。同时，在聚合物基复合材料体系中的纳米粒子能否均匀分散是影响材料性能的关键问题。相关文献指出，纳米粒子在聚合物基体中均匀分散能有效提高聚合物电学性能的稳定性，填料颗粒同聚合物基体的相容性又影响其自身的分散和复合材料的损耗。但是，在一般的制备方法中，如溶剂模塑法、旋转涂敷法、流延法等都存在纳米粒子的团聚问题。虽然利用分散剂、表面活性剂进行分散改性可以一定程度缓解团聚现象，但是还是不能有效控制其在聚合物基体中的分布；利用超声波作用可以使其在溶液中暂时分布均匀，但是在溶剂挥发的干燥过程中又会重新团聚，严重影响复合材料的性能。国内外的相关研究成果自从上世纪80年代我国研制PVDF薄
6、膜以来，各大高校和科研院所都展开了PVDF压电传感器的研究工作。近年来，随着国内经济的迅速发展，PVDF薄膜传感器的研究已经取得了突飞猛进的发展，部分研究已经实现产品化。一医学测量方面薄膜的出现为医学检查问题的解决提供了一种新的途径。JAVADDARGAHI2007和RAMINSEDAGHATI2007等人利用PVDF薄膜具有机械柔性的特点，开发了内窥镜检查用齿形触觉传感器，用于对敏感性组织的力和顺应性进行测量，为医学上敏感组织的力和顺应性测量提供了一种参考方法。二触觉测量方面触觉传感器的研究一直是现代自动化机器人研究的重点，最近模拟人手感觉工作的PVDF触觉传感器已用在机器人研究上。当PVD
7、F压电薄膜受力后产生电荷，按电荷量的大小和分布来判别物体的形状，能与机器人的抓取系统协调工作。三力学测量方面由于PVDF压电薄膜具有很强的压电性能，其压电常数D比石英高L0多倍，压电参数G的值比PZT高约20倍，在力学测量方面的研究成为基本的方向之一。如利用PVDF压电薄膜的电荷输出与应变成正比的特性，它的最直接的应用就是测量结构的应变。四能量采集方面能源问题是当前的一个重要课题，现在，人们正在研究利用PVDF薄膜对各种能量进行采集和转换。如HAUSLER1984和STEIN1984利用压电薄膜PVDF制作的换能器，将PVDF薄膜植入动物体内，使动物呼吸产生的机械能转换为电能。五结构模态测量方
8、面由于PVD压电薄膜有其特殊的积分特性，利用PVDF压电薄膜对结构体的结构模态测量研究也是人们感兴趣的方向之一。RONGLIANGCHEN2004和BORTSUENWANG2004曾利用方型PVDF压电薄膜粘贴在悬臂梁和简支板上测量其固有频率、振型和模态阻尼比。CUHATD2001和DAVIESP2001基于模态测试的原理，使用PVDF压电薄膜形状传感器来测量弯曲振动梁表面的应变，作为模态滤波器。研究方向智能材料与结构是近年来较热门的研究课题，PVDF薄膜是智能结构中理想的传感元件，由于其重量轻，体积小，结构简单，对结构的力学性能影响很小，且相容性好，可以在结构中大面积使用。（一）陶瓷聚合物复
9、合材料继上世纪80年代美国人经物理共混方法制得PZT/PVDF首例陶瓷聚合物复合材料后，利用陶瓷的高介电常数和聚合物的优良力学性能及可加工性，经工艺复合，由于复合效应，材料能同时充分发挥陶瓷和聚合物的优良特性，是有希望替代陶瓷和聚合物介电材料的电活性新型功能材料之一。（二）碳纳米管填充聚合物复合材料与金属粉末填充的PVDF基复合材料相MWNT较大的长径比对复合体系低的渗流阈值起很大的作用随着MWNT含量的增加，复合材料形成微电容网络结构，导致介电常数提高。这是因为对于填充导电填料的复合材料，在渗流阈值附近时，由于电流漏导等因素使材料的介电损耗会大幅度提高。MWNT/PVDF复合材料的介电损耗随
10、MWNT含量的增加而增加,正是因为MWNT较高的电导率。在高频下，复合材料的介电损耗一般低于04。这种高介电常数高损耗的材料可以应用于一些特殊领域，例如特殊波段的电磁波吸收材料以及各种形状的高储能电容器等。（三）金属聚合物基复合材料DANGFI等人研究了NIPVDF复合材料，其介电常数可以达400，但是介电常数随频率变化很快，介电损耗也比较高，不能满足实际的应用。另一方面，渗流的特性决定了渗流复合材料的介电性能和电导率对金属填充量的依赖性很大，填充量的变化就会使材料的性能发生很大的改变。除此之外，这类渗流型复合材料的介电损耗也比较大。因此我将用ZNO纳米粒子来填充PVDF制备复合材料，并在不同
11、含量下测试材料的介电性能。课题的意义及发展趋势结合导电粒子的聚合物复合材料的优异性能以及比较成熟的实验室制备技术，考虑到高介电聚合物基复合材料的两种基本方法分别是填充高介电陶瓷粒子和导电粒子，本课题拟利用导电纳米材料（如NI，FE3O4等）作为填充物，希望利用两种基本方法的协同效应，得到高介电低损耗的复合材料。制备的聚合物导电粒子复合材料可以应用于片式有机多层膜电容器，从而使嵌入式电容器的工业化大规模生产成为可能，并且在一定程度上促进了我国微电子工业的发展，缓解了我国微电子发展相对落后的局面。同时运用此制备技术得到的密度小、介电常数高的电荷储存薄膜及超级电容器的发展潜力具有更广的应用范围。从数
12、码相机、燃料电池到电动车、汽车、火车等得到了广泛的应用。采用超级电容器的产品项目不断增加，电信工业采用超级电容器是一种新颖的应用，结合超级电容器电子电路开发的电能超高速缓冲存储器储能模式，具有巨大的市场经济效益。参考文献1EXTERNALMAGNETICFIELDINDUCEDPERCOLATIONINPOLYVINYLIDENEFLUORIDEANDNICKELCOMPOSITES,JOURNALOFPHYSICALCHEMISTRYC,114,1400414007,20102GIANTDIELECTRICCONSTANTANDRESISTANCEPRESSURESENSITIVITYINC
13、ARBONNANOTUBES/RUBBERNANOCOMPOSITESWITHLOWPERCOLATIONTHRESHOLD，APPLIEDPHYSICSLETTERS90,042914，20073潘平彬,陈勇,骆英组份材料特性对压电复合材料性能的影响J电子元件与材料,2003,221210124杨凤霞,张端明研究混合连通型压电复合材料的模型及方法J压电与声光,2003,2554144175赵方鸣,项瑞阳,闻狄江023型聚合物基压电复合材料的研究概况J武汉工业大学学报,1996,183166李艳锋,刘韩星,罗大兵,李东亮，压电复合材料中组元介电性对其性能的影响，武汉理工大学报，2005，57吴锦武，姜哲基于PVDF压电传感器测量振动结构体积位移J振动工程学报，200718刘建胜，汪同庆，王贵新PVDF传感器实现斜拉桥桥索张力在线监测J仪表技术与传感器，200212359王莹，黄一，藤本由纪夫，刘刚应用PVDF压电材料测量结构应力与应力强度因子大连理工大学网络学刊，200510王国力，赵子婴，白金星PVDF压电薄膜脉搏传感器的研制J传感技学报，2004（4）688692
