[发明专利]一种高介电常数高弹性三相体纳米复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料技术范围，具体涉及一种高介电常数、低介电损耗、高弹性、应用广泛的一种新型高介电常数三相体纳米复合材料及其制备方法。

背景技术

橡胶基纳米复合材料是以橡胶为基体、填充颗粒以纳米尺度分散于基体中的新型高分子复合材料。由于纳米粒子的纳米效应和纳米粒子与基体间强的界面相互作用，橡胶基纳米复合材料具有优于相同组分的常规聚合物复合材料的电学、力学、热等性能，从而为制备高性能、多功能的新一代复合材料提供了一条新途径。橡胶基纳米复合材料结构特殊、性能优异，展现出诱人的应用前景，目前已成为材料科学研究的热点，如在生物仿生材料、能量存储器、热敏材料、压电材料等方面的应用。然而，目前对橡胶弹性体材料的设计还有很多不足之处，如介电常数不高、介电损耗过高、力学性能差等缺点。

当前，很难获得同时具备柔韧性好和介电常数高、介电损耗低的两相体橡胶基复合材料。例如，为了获得高介电常数的复合材料而大量添加高介电的陶瓷填料，使得复合材料丧失了橡胶基体优异的力学性能；另外，加入的导电填料(金属、炭黑、碳纤维、碳纳米管等)，特别是当导电填料含量接近渗流阈值时，可以明显提高复合材料的介电常数，同时又保证了橡胶基体的柔韧性，但随之复合材料的介电损耗却发生显著提高，电阻率发生骤降。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，而提供一种同时具备柔韧性好和介电常数高、介电损耗低的三相体纳米复合材料及其制备方法。

本发明采用硅橡胶、炭黑、钛酸钡三相复合的设计方案，以溶液共混的方法制备橡胶基纳米复合材料，为电器元件提供了优良的电绝缘复合材料。

一种高介电常数高弹性三相体纳米复合材料，其特征在于，包括：无机材料：导电填料碳黑CB粉和钛酸钡BaTiO₃(BT)，有机材料甲基乙烯基硅橡胶VMQ，其配方按体积比为：炭黑CB粉体0.5～4％，钛酸钡粉体(BT)40％及甲基乙烯基硅橡胶VMQ 56～59.5％。

所述材料碳黑粒度为50nm，钛酸钡的粒度为0.1μm。

本发明所提供的三相体纳米复合材料采用溶液法混合及低温热压硫化方法压制成型，其制备工艺过程见图1为：

1)配料：按上述配方取粒度为50nm炭黑、粒度为0.1μm的钛酸钡粉体(BT)和甲基乙烯基硅橡胶，使炭黑CB粉体占总体积0.5～4％，钛酸钡粉体(BT)占总体积40％及甲基乙烯基硅橡胶VMQ占总体积56～59.5％；

2)配样：将甲基乙烯基硅橡胶溶于四氢呋喃THF中，碳黑粉经热处理干燥、研磨后与钛酸钡粉(BT)加入硅橡胶溶液中混合、搅拌均匀；

3)成型：待混合均匀的硅橡胶溶液搅拌蒸干后，将得到的三元复合材料置于压片机上，于170℃，15MPa下热压硫化15min成型后，在190℃的烘箱中进行3小时的二段硫化，得到三相体(CB/BaTiO₃/VMQ)纳米复合材料。

本发明具有以下有益效果：1.通过溶液法共混及热压硫化法制备成型的三相体(CB/BaTiO₃/VMQ)高介电常数、低介电损耗、高弹性的纳米复合材料，具有高达960的介电常数，低介电损耗值(0.04)、柔韧性强且制备工艺简单的新型介电复合材料。2.克服传统制备方法——采用二组分制备复合材料中存在的诸多问题，本发明采用三组分制备复合材料，通过调节添加组份的相对含量，可以明显地改变材料的介电常数，使之达到最佳的值，即高的介电常数和低的介电损耗。3.热压法来降低成型温度、缩短制备时间，成型方便，并在较短的时间内获得了性能稳定、韧性好的复合材料，从而节省了时间和能源。

附图说明

图1复合材料制备的工艺流程

图2A5的填料BaTiO₃含量为40vol％，CB的含量为3.5vol％的CB/BaTiO₃/VMQ三相复合材料断面的SEM照片；

图3三相复合材料的介电常数(在103Hz条件下)与CB填料的体积分数的关系；

图4室温时不同CB含量的复合材料的介电常数与频率的关系；1-f_CB＝0，2-Al中f_CB＝0.005，3-A2中f_CB＝0.01，4-A3中f_CB＝0.02，5-A4中f_CB＝0.03，6-A5中f_CB＝0.035，7-A6中f_CB＝0.0375，8-A7中f_CB＝0.04；