CN108997685A - Ccto/pvdf复合材料及制备方法 - Google Patents

Ccto/pvdf复合材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种CCTO/PVDF复合材料制备方法，步骤为1)制备陶瓷粉体CaCu3Ti4012：2)复合：2.1)将聚偏氟乙烯PVDF溶解在N，N‑二甲基甲酰胺DMF中得到PVDF溶液；2.2)将制得的陶瓷粉体CaCu3Ti4012加入到PVDF溶液中，充分搅拌一段时间可以得到胶状混合液；2.3)将胶状混合液涂膜后进行干燥处理，得到CaCu3Ti4012/PVDF复合材料。本发明解决了现有的介电陶瓷存在介电强度偏低，储能密度受到限制的技术问题，本发明以高聚物PVDF为基体，复合CCTO为填料，制备出具有高介电常数和低损耗的CCTO/PVDF复合材料。

Description

CCTO/PVDF复合材料及制备方法
技术领域
本发明涉及一种CCTO/PVDF复合材料及制备方法。
背景技术
高介电材料在我们的生活中有着极其广泛的作用，如在通讯系统中使用的便携式电话、滤波器、谐振器方面的的用途，并且为电子器件的尺寸微型化提供了很大的可能，因此使得高介电材料成为科学家们研究的重点。我们知道电能存储在固定电源系统、混合电动汽车以及移动电子设备等方面用起着极其关键的作用。生活中经常见到到的储能元件有电池、电介质电容器和电化学超级电容器。电池虽然储能密度高使其有利于向器件的小型化发展，但是功率低，需要长时间充电，所以电池更适合于长时间低水平的供电。作为高功率脉冲电源中广泛使用的电介质电容器有着高功率的密度，能瞬间实现充电的过程，并且在充放电过程也具有很多的优点如在这一过程中是不涉及化学反应的，与电池、超级电容器相比较其更加的安全可靠。
现有常用的高介电材料为陶瓷。陶瓷具有巨介电常数、优良热稳定性，表1显示的是用于电容器的几种常见的陶瓷的介电常数，其中表中PMN-PT(65/35)分别表示的是65％铌镁酸铅和35％的钛酸铅，PLZT指的是锆钛酸铅镧的缩写，但是陶瓷材料由于晶界、杂质、空隙、缺陷等的影响，所以介电强度偏低，这使得其储能密度受到了一定的限制。我们知道介电聚合物具有柔韧性好、易加工、适于大面积成膜、介电强度高等的优点，但由于聚合物材料介电常数偏低使其储能密度受到限制。表2显示的是常见的压电聚合物的介电常数：
表1常见压电陶瓷的介电常数
表2常见压电聚合物的介电常数
发明内容
为了解决现有的介电陶瓷存在介电强度偏低，储能密度受到限制的技术问题，本发明提供一种CCTO/PVDF复合材料，复合材料，本发明还提供一种CCTO/PVDF复合材料的制备方法。
本发明的技术解决方案：
一种CCTO/PVDF复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤
1)制备陶瓷粉体CaCu3Ti4012：
2)复合：
2.1)将聚偏氟乙烯PVDF溶解在N，N-二甲基甲酰胺DMF中得到PVDF溶液；
2.2)将制得的陶瓷粉体CaCu3Ti4012加入到PVDF溶液中，充分搅拌一段时间可以得到胶状混合液；
2.3)将胶状混合液涂膜后进行干燥处理，得到CaCu3Ti4012/PVDF复合材料。
进一步的，步骤1)具体为：
1.1)将Ca(NO3)2、Cu(N03)2·3H2O这两种物质分别溶解在乙醇溶液溶液中，得到溶液1；
1.2)制备0.5mol/L的Ti(OC4H9)4溶液；
1.3)将溶液1与步骤1.2)制备的溶液混合，搅拌然后反应直至成为凝胶；
1.4)将形成的凝胶干燥，形成干凝胶；
1.5)将形成的干凝胶在600-1000℃的温度下干燥得到陶瓷粉体CaCu3Ti4012。
进一步的，步骤1.5)将形成的干凝胶在900℃的温度下干燥两小时得到陶瓷粉体CaCu3Ti4012。
进一步的，陶瓷粉体CaCu3Ti4012的质量为陶瓷粉体CaCu3Ti4012和PVDF总质量的40％-60％。
进一步的，陶瓷粉体CaCu3Ti4012的质量为陶瓷粉体CaCu3Ti4012和PVDF总质量的60％。
本发明还提供了一种高介电陶瓷/PVDF复合材料，由陶瓷粉体CaCu3Ti4012和PVDF组成，其中CaCu3Ti4012的质量分数为40％-60％。
进一步的，CaCu3Ti4012的质量分数为60％。
本发明所具有的有益效果：
本发明以高聚物PVDF为基体，复合CCTO为填料，制备出具有高介电常数和低损耗的CCTO/PVDF复合材料。
附图说明
图1为介电常数随陶瓷前驱体粉末含量的变化示意图；
图2为介电损耗随陶瓷前驱体粉末含量的变化示意图。
具体实施方式
实施例1：
CCTO/PVDF复合材料的制备流程，具体如下：
1)制备陶瓷粉体CaCu3Ti4012：
1.1)将0.1molCa(NO3)2和0.3mol Cu(N03)2·3H2O，将这两种物质分别溶解在乙醇溶液溶液中，得到溶液1；
1.2)制备0.5mol/L的Ti(OC4H9)4溶液；
1.3)将溶液1与步骤1.2)制备的溶液混合，搅拌然后反应直至成为凝胶；
1.4)将形成的凝胶干燥，形成干凝胶；
1.5)将形成的干凝胶在900的温度下干燥得到陶瓷粉体CaCu3Ti4012。
2)复合：
2.1)将1.5g聚偏氟乙烯PVDF溶解在N，N-二甲基甲酰胺DMF中得到PVDF溶液；
2.2)将制得的1.0g陶瓷粉体CaCu3Ti4012加入到PVDF溶液中，充分搅拌一段时间可以得到胶状混合液；
2.3)将胶状混合液涂膜后进行干燥处理，得到CaCu3Ti4012/PVDF复合材料。
实施例2：
CCTO/PVDF复合材料的制备流程，具体如下：
1)制备陶瓷粉体CaCu3Ti4012：
1.1)将0.1molCa(NO3)2和0.3mol Cu(N03)2·3H2O，将这两种物质分别溶解在乙醇溶液溶液中，得到溶液1；
1.2)制备0.5mol/L的Ti(OC4H9)4溶液；
1.3)将溶液1与步骤1.2)制备的溶液混合，搅拌然后反应直至成为凝胶；
1.4)将形成的凝胶干燥，形成干凝胶；
1.5)1.5)将形成的干凝胶在600的温度下干燥得到陶瓷粉体CaCu3Ti4012。
2)复合：
2.1)将1.5g聚偏氟乙烯PVDF溶解在N，N-二甲基甲酰胺DMF中得到PVDF溶液；
2.2)将制得的1.5g陶瓷粉体CaCu3Ti4012加入到PVDF溶液中，充分搅拌一段时间可以得到胶状混合液；
2.3)将胶状混合液涂膜后进行干燥处理，得到CaCu3Ti4012/PVDF复合材料。
实施例3：
CCTO/PVDF复合材料的制备流程，具体如下：
1)制备陶瓷粉体CaCu3Ti4012：
1.1)将0.1molCa(NO3)2和0.3mol Cu(N03)2·3H2O，将这两种物质分别溶解在乙醇溶液溶液中，得到溶液1；
1.2)制备0.5mol/L的Ti(OC4H9)4溶液；
1.3)将溶液1与步骤1.2)制备的溶液混合，搅拌然后反应直至成为凝胶；
1.4)将形成的凝胶干燥，形成干凝胶；
1.5)1.5)将形成的干凝胶在1000℃的温度下干燥得到陶瓷粉体CaCu3Ti4012。
2)复合：
2.1)将1.0g聚偏氟乙烯PVDF溶解在N，N-二甲基甲酰胺DMF中得到PVDF溶液；
2.2)将制得的1.5g陶瓷粉体CaCu3Ti4012加入到PVDF溶液中，充分搅拌一段时间可以得到胶状混合液；
2.3)将胶状混合液涂膜后进行干燥处理，得到CaCu3Ti4012/PVDF复合材料。
实施例4：
一种CCTO/PVDF复合材料的制备流程，具体如下：
步骤1)实施例1同；
2)陶瓷与PVDF的混合
2.1)将1.5gPVDF溶解在DMF中得到PVDF溶液。
2.2)将制得的1.5g陶瓷粉体加入到PVDF溶液中，充分搅拌一段时间可以得到胶状混合液。
2.3)胶状混合液涂膜后进行干燥处理。
2.4)最后进行压样处理得到陶瓷含量50％的CaCu3Ti4012/PVDF高介电陶瓷。
实施例5：
一种CCTO/PVDF复合材料的制备流程，具体如下：
步骤1)实施例1同；
2)陶瓷与PVDF的混合
2.1)将1gPVDF溶解在DMF中得到PVDF溶液。
2.2)将制得的1.5g陶瓷粉体加入到PVDF溶液中，充分搅拌一段时间可以得到胶状混合液。
2.3)胶状混合液涂膜后进行干燥处理。
2.4)最后进行压样处理得到陶瓷含量60％的CaCu3Ti4012/PVDF高介电陶瓷。
对照组：PVDF
实施例1、4、5制备的不同陶瓷含量的CaCu3Ti4012/PVDF复合材料，制成试样测试介电常数。
在德国Novocontrol公司的宽频介电分析仪上测试材料的介电性能。测试频率为101～107Hz，温度变化范围为-30～200℃。试样尺寸：直径约20mm，厚度约1mm，同一试样测试至少2次，以确保测试重复性。为保证试样与电极之间的良好接触，预先将试样表面打磨平整，为增强试样表面导电性，在试样上下两表面包上一层铜箔。测试结果如图1所示。
从图1中可以得出：CCTO/PVDF复合材料的介电常数总体上随着频率的增大而减小，在温度为900度，频率相同的情况下，陶瓷含量越高，介电常数越大。频率相同的情况下，当质量分数是60wt％时电导率是最高的，此时比纯的PVDF的电导率高较多。
实施例7：
对照组：PVDF
实施例1、4、5制备的不同陶瓷含量的Ca0.9Ni0.1Cu3Ti4O12/PVDF复合材料，制成试样测试介电常数。在德国Novocontrol公司的宽频介电分析仪上测试材料的介电性能。测试频率为102～107Hz，温度变化范围为-30～200℃。试样尺寸：直径约20mm，厚度约1mm，同一试样测试至少2次，以确保测试重复性。为保证试样与电极之间的良好接触，预先将试样表面打磨平整，为增强试样表面导电性，在试样上下两表面包上一层铜箔。测试结果如图2所示。
由图2中可以得出：频率相同的情况下107Hz，质量分数为60wt％时介电损耗最低，此时比纯的PVDF的介电损耗低很多。

Claims (7)

1.一种CCTO/PVDF复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤
1)制备陶瓷粉体CaCu3Ti4012：
2)复合：
2.1)将聚偏氟乙烯PVDF溶解在N，N-二甲基甲酰胺DMF中得到PVDF溶液；
2.2)将制得的陶瓷粉体CaCu3Ti4012加入到PVDF溶液中，充分搅拌一段时间可以得到胶状混合液；
2.3)将胶状混合液涂膜后进行干燥处理，得到CaCu3Ti4012/PVDF复合材料。
2.根据权利要求1所述的CCTO/PVDF复合材料的制备方法，其特征在于步骤1)具体为：
1.1)将Ca(NO3)2、Cu(N03)2·3H2O这两种物质分别溶解在乙醇溶液溶液中，得到溶液1；
1.2)制备0.5mol/L的Ti(OC4H9)4溶液；
1.3)将溶液1与步骤1.2)制备的溶液混合，搅拌然后反应直至成为凝胶；
1.4)将形成的凝胶干燥，形成干凝胶；
1.5)将形成的干凝胶在600-1000℃的温度下干燥得到陶瓷粉体CaCu3Ti4012。
3.根据权利要求2所述的的CCTO/PVDF复合材料的制备方法，其特征在于：步骤1.5)将形成的干凝胶在900℃的温度下干燥两小时得到陶瓷粉体CaCu3Ti4012。
4.根据权利要求1或2或3所述的CCTO/PVDF复合材料的制备方法，其特征在于：陶瓷粉体CaCu3Ti4012的质量为陶瓷粉体CaCu3Ti4012和PVDF总质量的40％-60％。
5.根据权利要求4所述的CCTO/PVDF复合材料的制备方法，其特征在于：陶瓷粉体CaCu3Ti4012的质量为陶瓷粉体CaCu3Ti4012和PVDF总质量的60％。
6.高介电陶瓷/PVDF复合材料，其特征在于由陶瓷粉体CaCu3Ti4012和PVDF组成，其中CaCu3Ti4012的质量分数为40％-60％。
7.根据权利要求6所述的高介电陶瓷/PVDF复合材料，其特征在于：CaCu3Ti4012的质量分数为60％。
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