CN110204713A - 一种用聚吡咯和锰锌铁氧体制备具有负介电性能的复合材料的设计方法 - Google Patents

一种用聚吡咯和锰锌铁氧体制备具有负介电性能的复合材料的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种制备具有负介电性能聚合物‑无机复合材料的方法，通过化学包覆冷压成型的工艺，制备可调控调控的负介电性能复合功能材料。选用导电聚吡咯作为基体，利用其内部的载流子的等离子体振荡实现负介电常数；选用锰锌铁氧体作为填料，利用磁共振实现负磁导率，或者根据电磁耦合关系，通过磁效应调控负介电性能。将聚吡咯包覆在锰锌铁氧体表面，所得混合后的粉末进行冷压成型制备所需样品。通过对锰锌铁氧体的质量分数的控制，进而实现负介电常数和负磁导率的可调控性。该类负介电材料具有优良的化学稳定性，且制备工艺简单性，无污染，其介电性能可调控性好。使得在超材料、电子信息通讯、电磁能量传输、电磁波吸收和屏蔽、无线电力传输等领域有潜在的应用价值。

Description

一种用聚吡咯和锰锌铁氧体制备具有负介电性能的复合材料 的设计方法
技术领域
本发明涉及一种制备具有负介电性能聚合物-无机复合材料的方法，属于介电材料、超材料、射频电磁材料技术、无线电力传输等领域。
技术背景
介电常数和磁导率是材料的两个最基本的电磁参数，决定了材料与电磁场/波的相互作用。当介电常数和磁导率均较小且损耗低时，可用作透波材料或者电子基板材料；当介电常数和磁导率数值相匹配，且具有适当的损耗时，可用作吸波材料；当介电常数的实部较大且介电损耗较小时，可用作储能电容器的介质材料。
一般而言，介电常数和磁导率的实部为正值，代表着电磁能量的存储。然而，近年来，尤其是伴随着超材料的出现，介电常数和磁导率也可以是负值。负值是从电荷的等效运动的角度出发推导得出的，即等离体子或“磁等离体子”的间歇运动，而不是从能量存储的角度，因此并不违反能量守恒定律。这种具有负电磁参数的材料可以获得许多新奇的电磁性质，例如负折射率、完美隐身、超透镜、逆多普勒效应等，因此，在电子信息通讯、电磁能量传输等领域具有巨大的潜在应用价值。
目前，用于制备具有负介电常数和负磁导率材料的方法有很多。超材料技术包括丝网印刷或其他微纳加工的工艺方法，可制备各种形状、尺寸和排列方式的周期性结构，利用周期性单元与电磁波的电磁谐振效应，从而实现负的电磁参数。利用其他的传统材料加工技术也能制备具有负电磁参数的复合材料。其中，实现负介电常数的原理是等离子体振荡，而磁导率的原理为磁共振。因此，铁磁金属（铁、钴、镍及其合金）常被用作电磁功能体，与绝缘基体进行复合。或者，使用具有铁磁性或亚铁磁性的铁氧体作为基体，以无磁性的金属（铜、银等）作为填料有构建复合材料。
然而，金属的使用会使得复合材料的化学稳定性降低，不满足许多工作环境中的应用。其次，金属基复合材料的制备往往需要高温过程，工艺流程较为复杂，能耗高，在大规模生产时，无法满足低能耗、绿色工业的要求。
因此，本发明中，选用导电聚吡咯作为基体，利用其内部的载流子的等离子体振荡实现负介电常数；选用锰锌铁氧体作为填料，利用磁共振实现负磁导率，或者根据电磁耦合关系，通过磁效应调控负介电性能。该类负介电材料具有优良的化学稳定性，且制备工艺简单性，无污染，其介电性能可调控性好。该类负介电材料在超材料、电子信息通讯、电磁波吸收和屏蔽、无线电力传输等领域有潜在的应用价值。
发明内容
在以往的制备负介电材料的方法中，所获得的负介电性能往往具有介电性能不稳定或负介电常数的绝对值过高的问题，针对此类问题，本发明提供了一种全新的设计思路，可用于制备具有弱负介电常数的复合材料。以聚吡咯（PPY)为基体，Mn-Zn铁氧体为功能体，通过包覆的方法制的所需样品。本发明采用化学包覆和冷压成型工艺，制备PPY包覆Mn-Zn铁氧体的复合材料。具体设计思路如下：
（1）称取一定量的吡咯单体和有适量的去离子水置于的三颈烧瓶中，再将三颈烧瓶置于冰浴机械搅拌均匀。
（2）称取一定量的Fecl3·6H2O颗粒溶解于去离子水中待完全溶解后得到Fecl3水溶液。
（3）将按比例配好的Mn-Zn铁氧体粉末导入（1）搅拌均匀的三颈烧瓶中，继续在冰浴进行机械搅拌。
（4）将（2）中配置好的Fecl3水溶液缓慢注入（3）中反应一段时间后，用去离子水在真空条件下进行冲洗抽滤烘干，从而的到PPY包覆Mn-Zn铁氧体粉末。
（5）取得适量烘干后的粉末，放入冷压模具中进行冷压成型，一定时间后卸载，得到的一定厚度的圆薄片试样。
本发明优选步骤（1）中，称取14.458mmol的吡咯单体和150ml去离子水倒入三颈烧瓶中。
本发明优选步骤（2）中，Fecl3·6H2O称取14.458mmol配置成0.2892mol/L的Fecl3的水溶液50mL的氧化剂。
本发明优选步骤（3）中，Mn-Zn铁氧体粉末中的Fe2O3：ZnO：MnO=52.8mol%：23mol%：24.2mol%。采用Mn3O4代替MnO时，通过计算进行换算。
本发明优选步骤（4）中，用恒压滴液漏斗将氧化剂缓慢加入到烧瓶中间控制在30Min左右，继续在冰浴中机械搅拌，真空干燥温度为60°C，干燥时间为10h。
本发明优选步骤（5）中，成型压力20MPa，保压时间为15min ,压制成直径20mm，厚度约为2mm左右的薄片，用于介电性能测试。
本发明提供了一种PPY包覆Mn-Zn铁氧体复合材料的设计思路制备负介电常数材料的方法，相比现有的实验设计，本发明具有以下优点：
(1)设计思路新颖，在PPY配置的过程中加入Mn-Zn铁氧体，PPY可以把Mn-Zn铁氧体包裹起来，制成PPY包覆Mn-Zn铁氧体的复合材料。
（2）实验的样品制备工艺简单，成本低，可实现产品的批量化生产，具有很好的市场化前景，用PPY包覆Mn-Zn铁氧体，通过压片即可制备成负介电材料。
（3）通过对功能体Mn-Zn铁氧体含量的调整，即可获得可具调控的负介电常数。使得此类材料的负介电性能具有可调控性。
附图说明
图1为Mn-Zn铁氧体质量分数为25%、50%、75%的介电常数ε随频率变化的图谱。
具体实施方式
为使本发明的具体过程和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体条件进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
下述实施例中所用的材料、试剂等，均可从商业途径得到。其中Mn-Zn铁氧体的粉末比例是经过人工调配而成。
实施例1
一种具有负介电性能PPY包覆Mn-Zn铁氧体复合材料设计方法，包括步骤如下:
（1）称取14.458mmol的吡咯单体和150mL的去离子水置于的三颈烧瓶中，再将三颈烧瓶置于冰浴机械搅拌均匀。
（2）称取14.458mmol的Fecl3·6H2O颗粒溶解于去离子水中待完全溶解后得到50mL的Fecl3水溶液。
（3）将按Fe2O3：ZnO：MnO=52.8mol%：23mol%：24.2mol%比例配好的Mn-Zn铁氧体粉末称取0.4g倒入（1）搅拌均匀的三颈烧瓶中，继续在冰浴进行机械搅拌。
（4）将（2）中配置好的Fecl3水溶液缓慢注入（3）中反应一段时间后，用抽滤装置进行多次去离子水或无水乙醇的冲洗抽滤，并在真空条件下进行烘干，从而的到PPY包覆Mn-Zn铁氧体粉末。
（5）取得3g烘干后的粉末，放入冷压模具中进行冷压成型，一定时间后卸载，得到的一定厚度的圆薄片样品用1500目砂纸进行打磨。以作为进一步介电测试。所得到
实施例2
一种具有负介电性能PPY包覆Mn-Zn铁氧体复合材料设计方法，包括步骤如下:
（1）称取14.458mmol的吡咯单体和150mL的去离子水置于的三颈烧瓶中，再将三颈烧瓶置于冰浴机械搅拌均匀。
（2）称取14.458mmol的Fecl3·6H2O颗粒溶解于去离子水中待完全溶解后得到50mL的Fecl3水溶液。
（3）将按Fe2O3：ZnO：MnO=52.8mol%：23mol%：24.2mol%比例配好的Mn-Zn铁氧体粉末称取0.8g倒入（1）搅拌均匀的三颈烧瓶中，继续在冰浴进行机械搅拌。
（4）将（2）中配置好的Fecl3水溶液缓慢注入（3）中反应一段时间后，用抽滤装置进行多次去离子水或无水乙醇的冲洗抽滤，并在真空条件下进行烘干，从而的到PPY包覆Mn-Zn铁氧体粉末。
（5）取得3g烘干后的粉末，放入冷压模具中进行冷压成型，一定时间后卸载，得到的一定厚度的圆薄片样品用1500目砂纸进行打磨。以作为进一步介电测试。
实施例3
一种具有负介电性能PPY包覆Mn-Zn铁氧体复合材料设计方法，包括步骤如下:
（1）称取14.458mmol的吡咯单体和150mL的去离子水置于的三颈烧瓶中，再将三颈烧瓶置于冰浴机械搅拌均匀。
（2）称取14.458mmol的Fecl3·6H2O颗粒溶解于去离子水中待完全溶解后得到50mL的Fecl3水溶液。
（3）将按Fe2O3：ZnO：MnO=52.8mol%：23mol%：24.2mol%比例配好的Mn-Zn铁氧体粉末称取1.2g倒入（1）搅拌均匀的三颈烧瓶中，继续在冰浴进行机械搅拌。
（4）将（2）中配置好的Fecl3水溶液缓慢注入（3）中反应一段时间后，用抽滤装置进行多次去离子水或无水乙醇的冲洗抽滤，并在真空条件下进行烘干，从而的到PPY包覆Mn-Zn铁氧体粉末。
（5）取得3g烘干后的粉末，放入冷压模具中进行冷压成型，一定时间后卸载，得到的一定厚度的圆薄片样品用1500目砂纸进行打磨。以作为进一步介电测试。
上述对实施例的描述是为了该技术领域的普通技术人员理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员可以容易地对这些实施例进行修改并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不仅适用于Mn-Zn铁氧体中Fe2O3、ZnO、MnO的比例，以及Mn-Zn铁氧体所占的质量分数。不限于这里的实施案例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.本发明涉及一种制备具有负介电性能聚合物-无机复合材料的方法，其特征在于，步骤包括如下：
（1）称取一定量的吡咯单体和有适量的去离子水置于的三颈烧瓶中，再将三颈烧瓶置于冰浴机械搅拌均匀；
（2）称取一定量的FeCl3·6H2O颗粒溶解于去离子水中待完全溶解后得到FeCl3水溶液；
（3）将按比例配好的Mn-Zn铁氧体粉末导入（1）搅拌均匀的三颈烧瓶中，继续在冰浴进行机械搅拌；
（4）将（2）中配置好的FeCl3水溶液缓慢注入（3）中反应一段时间后，用去离子水在真空条件下进行冲洗抽滤烘干，从而的到PPY包覆Mn-Zn铁氧体粉末；
（5）取得适量烘干后的粉末，放入冷压模具中进行冷压成型，一定时间后卸载，得到的一定厚度的圆薄片试样。
2.如权利要求1，步骤（1）中称取14.458mmol的吡咯单体和150ml去离子水倒入三颈烧瓶中。
3.如权利要求1，步骤（2）中，FeCl3·6H2O称取14.458mmol配置0.2892mol/L的FeCl3的水溶液50mL的氧化剂。
4.如权利要求1，步骤（3）中，Mn-Zn铁氧体粉末中的Fe2O3：ZnO：MnO=52.8mol%：23mol%：24.2mol%；采用Mn3O4代替MnO时，通过计算进行换算。
5.如权利要求1，步骤（4）中，用恒压滴液漏斗将氧化剂缓慢加入到烧瓶中间控制在30Min左右，继续在冰浴中机械搅拌，真空干燥温度为60°C，干燥时间为10h。
6.如权利要求1，步骤（5）中，成型压力20MPa，保压时间为15min ,压制成直径20mm，厚度约为2mm左右的薄片，用于介电性能测试。
7.如权利要求1，上述思路制备锰锌铁氧体/聚吡咯复合材料在超材料、电子信息通讯、电磁能量传输、电磁波吸收和屏蔽、无线电力传输等领域有潜在的应用价值。
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