CN101885886B - 一种高介电聚偏氟乙烯复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及到一种高介电聚偏氟乙烯复合材料的制备方法，其特征在于包括下述步骤：①将PVDF粉末和粒径为200-600nm的Ni粉，混合后放入球磨机中球磨10-24h，制得Ni体积分数为5％-10％的均匀混合的粉体；将混合粉体放入压片机模具中在1-10MPa的条件下冷压形成具有一定厚度的PVDF/Ni复合材料薄片；②将步骤①中制得的PVDF/Ni复合材料薄片放入磁场强度为0.1-1T的回形磁钢气隙中，并同时在温度为180-200℃的烘箱内保温30-180min，随炉冷却后得到具有高介电的PVDF/Ni复合材料。本发明在Ni含量远低于渗流阈值的情况下实现了渗流效应，得到了高介电性能的PVDF/Ni介电复合材料，并能保持聚合物基体所具有的优良机械性质；制备方法简单，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种高介电聚偏氟乙烯复合材料的制备方法。
背景技术
现有的实现高介电聚合物基复合材料的一种有效方法是在聚合物基体中加入一些导电颗粒，介电常数随着导电颗粒含量的变化关系可以用下式表示ε＝ε0(fc-f)-q，其中fc为渗流阈值，f为导电颗粒的体积分数，q为临界指数。当导电颗粒的含量比较少时，ε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。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。
对于聚偏氟乙烯/镍(简写PVDF/Ni)的复合材料，其渗流阈值一般在15％-20％之间。因此，要使其具有较高的介电常数，需要添加大量的纳米Ni粉。而大量纳米Ni粉填料的加入则会使得PVDF/Ni复合材料其它的性能损失严重，例如其柔韧性、机械性能急剧下降，重量变大、密度提高等。同时，高含量的纳米填料也使得材料制备成本上升，限制了其在电子材料领域的进一步应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术相同的现状提供一种低镍金属含量时的高介电聚偏氟乙烯复合材料的制备方法，从而在保持材料柔韧性、机械性能等原有优良性能的前提条件下达到提高材料介电性能的目的。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该高介电聚偏氟乙烯复合材料的制备方法，其特征在于包括下述步骤：
①将PVDF粉末和粒径为200-600nm的Ni粉，混合后放入球磨机中球磨10-24h，制得Ni体积分数为5％-10％的均匀混合的粉体；将混合粉体放入压片机模具中在1-10MPa的条件下冷压形成具有一定厚度的PVDF/Ni复合材料薄片；
②将步骤①中制得的PVDF/Ni复合材料薄片放入磁场强度为0.1-1T的回形磁钢气隙中，并同时在温度为180-200℃的烘箱内保温30-180min，随炉冷却后得到具有高介电的PVDF/Ni复合材料。
所述的PVDF/Ni复合材料薄片的厚度在0.5-5mm范围。
对PVDF/Ni复合材料进行磁场退火处理，表现出场致渗流效应，介电常数相对磁场退火前有显著提高。较好的，当Ni的添加量为10wt％，Ni的粒径为200nm时，经过24h球磨，10Mpa冷压后在1T磁场中200℃退火180min的PVDF/Ni复合材料具有相对更高的介电常数。
本发明所提供的高介电聚偏氟乙烯复合材料的制备方法是利用磁场对Ni粉的分布进行控制从而使复合材料内部形成渗流网络，在Ni填料的含量远低于渗流阈值的情况下实现了渗流效应，制备得到的PVDF/Ni高介电复合材料的介电性能得到了极大的提升，并能保持聚合物基体所具有的优良机械性质；制备方法简单，成本低。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
将粒径为300nm的Ni粉和PVDF粉末混合后放入球磨机的球磨罐中，经球磨机球磨10-24h后得到Ni含量为6％均匀混合粉体。将混合均匀的粉体放入压片机模具中在5MPa的压强下制得圆片状复合材料块体。重复7次，得到7块相同的样品。将这7个样品编号后，其中6个样品放入场强约为0.2T的回形磁钢的匀强磁场气隙中，在180-200℃的恒温箱里分别退火30min、60min、90min、120min、150min和180min，随炉温冷却至室温后涂上厚度为5um的银浆电极，在60℃烘箱中干燥后待测。用阻抗分析仪4294A测量上述7个样品的介电常数和损耗，发现复合材料的介电常数在磁场退火处理后明显增加，介电损耗控制在0.15-0.5之间。介电常数随着退火时间的增加逐渐增加，并在处理时间大于120min时迅速上升，最大达到121，表现出与磁场退火时间相关联的类渗流效应。
实施例2
将粒径为500nm的Ni粉和PVDF粉末混合后放入球磨机的球磨罐中，经球磨机球磨10-24h后得到Ni含量为9％均匀混合粉体。将混合均匀的粉体放入压片机模具中在10MPa的压强下制得圆片状复合材料块体。重复7次，得到7块相同的样品。将这7个样品编号后，其中6个样品放入场强约为0.8T的回形磁钢的匀强磁场气隙中，在180-200℃的恒温箱里分别退火30min、60min、90min、120min、150min和180min，随炉温冷却至室温后涂上厚度为5um的银浆电极，在60℃烘箱中干燥后待测。用阻抗分析仪4294A测量上述7个样品的介电常数和损耗，发现复合材料的介电常数在磁场退火处理后明显增加，介电损耗控制在0.18-0.6之间。介电常数随着退火时间的增加逐渐增加，并在处理时间大于90min时迅速上升，最大达到142。
对比例
称取一定量粒径为200nm的Ni粉和PVDF粉末，分别混合形成Ni体积分数5％、10％的PVDF/Ni混合粉末，而后经球磨机球磨10-24h后得到两种分布均匀的混合分体。再放入压片机模具中在10MPa的压强下制得圆片状复合材料块体。随炉温冷却至室温后涂上厚度为5um的银浆电极，在60℃烘箱中干燥后待测。阻抗分析仪的测试结果表明，此类未经过磁场处理的PVDF/Ni复合材料在体积浓度分别为5％和10％时，其介电常数仅为30和45。
Claims (3)
1.一种高介电聚偏氟乙烯复合材料的制备方法，其特征在于包括下述步骤：
①将PVDF粉末和粒径为200-600nm的Ni粉，混合后放入球磨机中球磨10-24h，制得Ni体积分数为5％-10％的均匀混合的粉体；将混合均匀的粉体放入压片机模具中在1-10MPa的条件下冷压形成具有一定厚度的PVDF/Ni复合材料薄片；
②将步骤①中制得的PVDF/Ni复合材料薄片放入磁场强度为0.1-1T的回形磁钢气隙中，并同时在温度为180-200℃的烘箱内保温30-180min，随炉温冷却至室温后得到具有高介电性能的PVDF/Ni复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的PVDF/Ni复合材料薄片的厚度在0.5-5mm范围。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的球磨时间为24h，冷压压力为10Mpa冷压，所述的磁场强度为1T，退火温度和时间分别为200℃和180min。
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