CN101550260A

CN101550260A - 一种含有银纳米线的高介电复合材料及其制备方法

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Publication number: CN101550260A
Application number: CNA2009100669611A
Authority: CN
Inventors: 王策; 郑伟; 卢晓峰; 李振宇; 王威; 王兆杰; 宋明昕
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2009-05-15
Publication date: 2009-10-07

Abstract

本发明属于高介电材料技术领域，具体涉及一种含有银纳米线的高介电复合材料的制备方法。该复合材料是以银纳米线为填充材料，以聚偏氟乙烯为基体材料，其中银纳米线的体积占银纳米线和聚偏氟乙烯混合体积的5～26％。其是将银纳米线和聚偏氟乙烯加入到有机溶剂N，N－二甲基甲酰胺中，超声30～50分钟使其均匀分散，将获得的混合溶液在60～80℃加热搅拌6～10个小时，冷却至室温后将混合液体浇铸成膜，在60～80℃烘干，最后在100～120℃真空烘箱里热处理12～36小时，即得到银纳米线作为填充材料，聚偏氟乙烯作为基体材料的含有银纳米线的高介电复合材料。本发明制备的含银纳米线的高介电复合膜具有高的介电常数，很好的柔韧性，而且均匀致密。

Description

一种含有银纳米线的高介电复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于高介电材料技术领域，具体涉及一种含有银纳米线的高介电复合材料及其制备方法。

背景技术

高介电材料是一种应用广泛的绝缘材料，在电子、电机和电缆行业中起着至关重要得作用。随着电子、信息和电力工业的迅猛发展，现有的工业技术和加工工艺严重制约着电器元件(如电容器)向高储能，小型化和低能耗的方向发展。尤其对电容器而言，在同样体积情况下，为了获得质量小，高储能密度的大功率电容器，则必须采用密度小，介电常数高的电介质材料作为电容电介质。因此，研制新型的具有高介电常数的电介质材料有着重大的科学和实用价值。

高介电材料一直是电子、信息和电机行业最热门的研究课题之一。然而，单一组分材料自身单一的性能很难满足苛刻的工业要求。设计、开发新型复合材料不仅能实现单相材料的优势互补，而且还可能被赋予其新的优异功能。例如，将具有高介电常数的陶瓷粉末作为填料加到聚合物中，从而获得高介电材料，但是陶瓷的负载量达到50％以上时，才能得到高介电常数材料，过高的填充量会降低材料的加工性能和柔韧性。另有报道，利用金属、陶瓷粉末、聚合物三相组分制备高介电材料，虽然此材料有很高的介电常数，但是其柔韧性不够理想，会使其在电容方面的应用受到限制。

发明内容

本发明的目的是利用银纳米线作为填充材料，聚偏氟乙烯作为基体材料，通过溶液浇铸的方法制备出一种含银纳米线的高介电复合材料。

以银纳米线为填充材料，聚偏氟乙烯为基体材料的含银纳米线的高介电复合材料，其中银纳米线的体积占银纳米线和聚偏氟乙烯混合体积的5～26％。

本发明的所需材料为：所述银纳米线的直径为20～80nm，长度为2～20μm；银纳米线的制备过程可以按照Y.G.Sun在Adv.Mater.(2002，14，833)的方法合成；所述聚偏氟乙烯固体粉末的粒度为0.1～0.5μm。

本发明的制备方法：按体积和为100份计算，将5～26份体积的银纳米线和95～74份体积的聚偏氟乙烯按加入到有机溶剂N，N-二甲基甲酰胺中，银纳米线和聚偏氟乙烯在有机溶剂中的质量百分含量范围为20～40％，超声30～50分钟使其均匀分散，将获得的混合溶液在60～80℃加热搅拌6～10个小时，将溶液冷却至室温，然后将混合液浇铸成膜，在60～80℃烘干，最后在100～120℃真空烘箱里热处理12～36小时，即得到以银纳米线作为填充材料，聚偏氟乙烯作为基体材料的含银纳米线的高介电复合材料。

上述浇铸成模的方式可以是浇铸成液态膜，比如将冷却至室温的混合液体倾倒在平玻璃板上自然形成液态膜，烘干后形成固态的薄膜材料；也可以浇铸在任何材质的具有规则几何形状的模型、模具或者容器中，烘干后形成一定厚度的固态材料。

本发明通过溶液浇铸成膜的方法制备的含有银纳米线的高介电复合材料，不仅在低频率100Hz时，具有非常高的介电常数(银纳米线的体积含量为25％时，介电常数为800)；在较高的频率1000Hz下仍然具有高的介电常数(银纳米线的体积含量为25％时，介电常数为379)，而且保持很好的柔韧性，机械性能，是一种新型的高介电复合材料。本发明的制备方法工艺简单，可操控性强，制备原料无需进一步化学处理，仅仅通过调控银纳米线填料的体积比，就能够明显增强复合材料的高介电性能，并且使材料保持良好的柔韧性和机械强度。此发明具有很高的科学价值和实用价值，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1：银纳米线的扫描电镜照片；如图所示，合成出的银纳米线直径均一，直径为20～80nm，长度为2～20μm。

图2：含有银纳米线的复合材料样品的表面扫描电镜照片；如图所示，形貌为一维线性亮线即为银纳米线，可以清楚地观察到银纳米线随机均匀的分散在聚偏氟乙烯基质中。

图3(a)：含有银纳米线的复合材料样品的断面扫描电镜照片，图中直线表示膜的横断面的厚度大约65-80μm。

图3(b)：含有银纳米线的复合材料样品的断面局部放大扫描电镜照片，如图所示银纳米线均匀的分散在聚偏氟乙烯基质中，银纳米线均匀的分布有助于复合材料的介电性能的提高和材料的稳定性。

图4(a)：银纳米线含量对复合材料样品的介电常数影响的曲线，如图所示，随着银纳米线在聚偏氟乙烯基质中的体积百分含量的增加，复合膜的介电电常数明显增加，当银纳米线在复合膜中的体积分数达到25％时，复合膜的介电常数达到最高，在100Hz时，复合膜的介电常数高达800，在较高的频率1000Hz下仍然具有高的介电常数(379)，然而当银纳米线在复合膜中的体积分数超过25％时，复合膜的介电常数迅速降低。根据渗流理论，向聚合物基体中加入导电填料，当填料填充量接近材料的渗流阈值时，复合材料的介电常数便会出现突增，超过其阈值时，复合材料的介电常数又会急剧下降。从实验数据及现象看，本实验体系与渗流理论吻合。

图4(b)：银纳米线含量对复合材料样品的介电常数影响的曲线的放大图。

图5(a)：银纳米线含量对复合材料样品的介电损耗影响的曲线，如图所示，银纳米线在复合膜中的体积分数比较低的时候，复合膜的介电损耗也比较低，并且都低于0.45，然而，当银纳米线在复合膜中的体积分数达到26％时，介电损耗明显增加，最高达到1.89，这是因为银纳米线是很好的导体，当其在复合膜中的含量过高时，随机分布的银纳米线可能形成连通的导电通道，从而使复合膜的介电损耗急剧增高。

图5(b)：银纳米线含量对复合材料样品的介电损耗影响的曲线的放大图。

图6：银纳米线/聚偏氟乙烯复合材料在测试频率为1000Hz时介电常数与填料体积分数之间的关系曲线图；如图所示，随着银纳米线在复合材料中体积分数的增加，复合材料的介电常数也开始随之缓慢增加，当银纳米线的体积分数大于20％的时候，复合材料的介电常数迅速增加，当银纳米线的体积分数达到25％时，复合材料的介电常数达到最高379，然而当银纳米线的体积分数超过25％时，复合材料的介电常数迅速降低，根据渗流理论可知，本实验中，渗流阈值f_c＝0.25，临界指数为s＝0.77。

具体实施方式

实施例1：

本发明为新型含有银纳米线的高介电常数复合材料的制备方法，该高介电复合材料包括银纳米线和聚偏氟乙烯两种组分，其制备工艺过程为：

1、根据文献Y.G.Sun在Adv.Mater.(2002，14，833)的方法合成：首先，取0.2克硝酸银，0.8克分子量为3万的聚乙烯吡咯烷酮(PVP k30)放入两个分别盛有10ml，20ml乙二醇的容积为50ml的锥形瓶中，剧烈搅拌1小时，得到两瓶均匀的溶液，待用。另取10ml乙二醇放入容积为500ml的三颈瓶中在160℃回流30分钟。然后将配制好的上述两个溶液逐滴滴加到正在回流的三颈瓶中45分钟内滴加完毕。然后继续回流60分钟，观察黄棕色的溶液颜色不再变化证明反应完全。将溶液离心，洗涤，干燥。最后得到直径为20～80nm，长度为2～20μm的银纳米线，如图1所示。

2、将银纳米线(密度＝10.5g/cm³)和聚偏氟乙烯(密度＝1.75g/cm³)按体积比为5∶95、10∶90、15∶85、20∶80、23∶77、25∶75、26∶74的比例分别加入到4克有机溶剂N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，超声30分钟使其均匀分散，将获得的混合溶液在60℃加热搅拌6个小时，然后将溶液冷却至室温，将混合液体倾倒在平玻璃板上自然形成液态膜，60℃烘10小时后形成固态的薄膜材料。

3、将得到的复合材料放置在真空烘箱中110℃热处理36小时，得到含有银纳米线的高介电复合薄膜，如图2和图3(a)，(b)所示。

如表1所示，经测试得到如图4(a)，(b)所示的为银纳米线含量对复合材料样品的介电常数影响的曲线及介电损耗影响的曲线如图5(a)，(b)所示。

表1：含有银纳米线的高介电复合薄膜的原料成份数据

Claims

1、一种含有银纳米线的高介电复合材料，其特征在于：以银纳米线为填充材料，以聚偏氟乙烯为基体材料，其中银纳米线的体积占银纳米线和聚偏氟乙烯混合体积的5～26％。

2、如权利要求1所述的含有银纳米线的高介电复合材料，其特征在于：所述银纳米线的直径为20～80nm，长度为2～20μm。

3、如权利要求1所述的含有银纳米线的高介电复合材料，其特征在于：所述聚偏氟乙烯的粒度为0.1～0.5μm。

4、含有银纳米线的高介电复合材料的制备方法，其特征在于：按体积和为100份计算，将5～26份体积的银纳米线和95～74份体积的聚偏氟乙烯按加入到有机溶剂N，N-二甲基甲酰胺中，银纳米线和聚偏氟乙烯在有机溶剂中的质量百分含量范围为20～40％，超声30～50分钟使其均匀分散，将获得的混合溶液在60～80℃加热搅拌6～10个小时，冷却至室温后浇铸成膜，在60～80℃烘干，最后在100～120℃真空烘箱里热处理12～36小时，即得到银纳米线作为填充材料，聚偏氟乙烯作为基体材料的含有银纳米线的高介电复合材料。

5、如权利要求4所述的含有银纳米线的高介电复合材料的制备方法，其特征在于：所述的浇铸成膜是浇铸成液态膜，即将冷却至室温的混合液体倾倒在平玻璃板上自然形成液态膜，烘干后形成固态的薄膜材料。

6、如权利要求4所述的含有银纳米线的高介电复合材料的制备方法，其特征在于：所述的浇铸成膜是浇铸在任何材质的具有规则几何形状的模型、模具或者容器中，烘干后形成一定厚度的固态材料。