[发明专利]一种具有高介电常数和低介电损耗的柔性复合介电材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高介电常数、低介电损耗复合介电材料的制备方法，具体是涉及一种用氟硅烷表面处理的钛酸钡(BaTiO₃)或钛酸镁（MgTiO₃）纳米纤维和含氟聚合物组成的柔性介电材料的制备方法。

背景技术

具有高储能密度、低介电损耗的介电材料以其在电子行业，特别是在微电子器件方面的广泛应用而得到了越来越多的关注，尤其是聚合物基复合介电材料由于良好的加工性能、高柔顺性以及高的储能密度成为近年来高性能介电材料研究和开发的热点。

传统的铁电陶瓷介电材料主要有钛酸钡（BaTiO₃），钛酸镁（MgTiO₃）以及金红石二氧化钛（TiO₂）等。尽管这些陶瓷材料具有很大的介电常数，但其脆性、高加工温度和低击穿强度限制了这类材料在可折叠电子产品中的应用。聚合物介电材料主要是含氟的均聚物以及共聚物，如偏氟乙烯（PVDF），偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物（PVDF-TrFE）以及环氧树脂等。与无机陶瓷类介电材料相比，聚合物介电材料的介电常数通常较小，但是具有良好的柔顺性和较高的击穿强度。有机/无机材料复合技术是集成陶瓷介电材料和含氟聚合物介电材料两者的优点，制备性能更好的介电材料的重要技术路线。

以导电填料和陶瓷介电材料为填料，以聚合物为基体是制备高介电常数复合材料的常用方法。如镍/聚偏氟乙烯,银/环氧树脂,多壁碳纳米管/聚偏氟乙烯,炭黑/环氧树脂以及功能化的石墨烯/聚二甲基硅氧烷等，可以得到高介电常数的复合材料。这类复合材料通常存在一个渗流阀值，即当导电填料的体积分数大于一定值时，复合材料由绝缘体变成导电体，而且导电填料和聚合物基体之间的界面缺陷往往成为漏电流的通道，导致复合材料介电损耗的增大。而陶瓷介电填料/聚合物基体复合材料，如BaTiO₃/环氧树脂、BaTiO₃/PVDF等也可以显著提高复合材料的介电常数。但由于无机陶瓷介电填料和聚合物基体之间界面不相容问题，带来了这类介电材料微结构上的缺陷，影响材料的介电性能和力学性能。解决上述问题的方法是对无机陶瓷介电填料进行表面化学改性，如表面包覆和表面接枝。例如，用多巴胺改性的纳米BaTiO₃粒子，可改善其与PVDF的界面相容问题，用硅烷偶联剂改性的纳米BaTiO₃粒子填充环氧树脂，介电性能得到了较大改善。另外也可以采用表面引发-原子转移自由基聚合（SI-ATRP）在介电填料表面进行化学接枝，如PMMA@BaTiO₃，PS@TiO₂以及PTFEMA@BaTiO₃，可以显著地改善无机材料与有机材料的界面相容性，提高复合材料的介电性能。然而这类材料通常只有当填料的填充体积分数达到70v%时才会有显著作用，这不仅增大了聚合物复合材料的刚性，而且带来复合材料的成型加工难度。