高介电陶瓷/PVDF的复合材料及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高介电陶瓷/PVDF复合材料及制备方法，包括以下步骤：1)制备陶瓷粉体Ca1‑xNixCu3Ti4O12；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Ca1‑xNixCu3Ti4O12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Ca1‑xNixCu3Ti4O12/PVDF复合材料。本发明专利技术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，本发明专利技术通过Ni去掺杂取代钛酸铜钙陶瓷中的钙离子降低其陶瓷的介电损耗。

【技术实现步骤摘要】
高介电陶瓷/PVDF的复合材料及制备方法
本专利技术涉及一种高介电陶瓷/PVDF复合材料及制备方法。
技术介绍
传统介电材料包括无机陶瓷材料和有机高分子材料。常见的无机陶瓷材料,如钛酸钡(BT)，锆钛酸铅(PZT)等，虽然具有很高的介电常数(几千)，但是它们制备工艺复杂、脆性大、介电损耗较大，且耗能严重(制备过程需要高温)。将它们制成电容器后，在充电和放电的过程中还会发生机械共振，大大降低了其使用寿命。常见的有机高分子材料有聚乙烯(PS)、聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物为聚偏氟乙烯-三氟乙烯(PVDFTr,Fe)，环氧树脂(exogy)等，它们柔性好、介电损耗低、易于加工，但是它们的介电常数相对较低(一般在10以下)，难以满足电子工业对介电材料高介电常数的要求。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：聚偏氟乙烯(PVDF)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
技术实现思路
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，本专利技术的目的之一提供高介电陶瓷/PVDF复合材料，本专利技术的另一个目的为提供一种高介电陶瓷/PVDF复合材料制备方法。本专利技术的技术解决方案：高介电陶瓷/PVDF复合材料制备方法，其特殊之处在于包括以下步骤：1)制备陶瓷粉体：1.1)将Ca(NO3)2,、Ni(NO3)2.6H2O、Cu(N03)2·3H2O这三种物质分别溶解在乙醇溶液溶液中，得到溶液1；Ca(NO3)2,与Ni(NO3)2.6H2O的物质的量比为(1-X)/X，其中0＜X＜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，向混合溶液中加入适量硝酸搅拌20min，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800-1000℃的温度下干燥两小时得到陶瓷粉体Ca1-xNixCu3Ti4O12；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Ca1-xNixCu3Ti4O12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Ca1-xNixCu3Ti4O12/PVDF复合材料。通过Ni去掺杂取代钛酸铜钙(CaCu3Ti4O12，CCTO)陶瓷中的钙离子降低其陶瓷的介电损耗。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Ca1-xNixCu3Ti4O12。进一步的，陶瓷粉体Ca1-xNixCu3Ti4O12的质量为陶瓷粉体Ca1-xNixCu3Ti4O12和PVDF总质量的40％-60％。进一步的，陶瓷粉体Ca1-xNixCu3Ti4O12的质量为陶瓷粉体Ca1-xNixCu3Ti4O12和PVDF总质量的60％。本专利技术还提供一种高介电陶瓷/PVDF复合材料，由陶瓷粉体Ca1-xNixCu3Ti4O12和PVDF组成，其中Ca1-xNixCu3Ti4O12的质量分数为40％-60％。进一步的，Ca1-xNixCu3Ti4O12的质量分数为60％。本专利技术所具有的有益效果：1、本专利技术通过Ni去掺杂取代钛酸铜钙(CaCu3Ti4O12，CCTO)陶瓷中的钙离子降低其陶瓷的介电损耗，从而得到具有高介电常数、低介电低损耗的Ca1-xNixCu3Ti4O12/PVDF复合材料。2、本专利技术通过Ni去掺杂取代钛酸铜钙(CaCu3Ti4O12，CCTO)陶瓷中的钙离子降低其陶瓷的介电损耗。该复合薄膜材料的介电常数在室温100Hz下高达40，约是纯PVDF基体的两倍，而介电损耗则是比纯PVDF低两倍。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1Ca0.9Ni0.1Cu3Ti4O12/PVDF复合材料的制备流程，具体如下：1)制备陶瓷粉体Ca0.9Ni0.1Cu3Ti4O121.1)将0.9mol的Ca(NO3)2、0.1mol的Ni(NO3)2.6H2O和Cu(N03)2·3H2O这三种物质分别溶解在乙醇和去离子水体积比为(3:1)溶液中。1.2)用乙醇将Ti(OC4H9)4溶解，形成0.5mol/L溶液。1.3)将以上两种溶液混合，向混合溶液中加入适量硝酸搅拌20min，然后在50度下反应24小时。1.4)将形成的凝胶在80度下干燥，形成干凝胶。1.5)将形成的干凝胶在900℃干燥两小时得到陶瓷粉体Ca0.9Ni0.1Cu3Ti4O12。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1g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高介电陶瓷。实施例2Ca0.8Ni0.2Cu3Ti4O12/PVDF复合材料的制备流程，具体如下：1)制备陶瓷粉体Ca1-xNixCu3Ti4O121.1)将0.8molCa(NO3)2,、0.2molNi(NO3)2.6H2O、Cu(N03)2·3H2O这三种物质分别溶解在乙醇和去离子水体积比为(3:1)溶液中。1.2)用乙醇将Ti(OC4H9)4溶解，形成0.5mol/L溶液。1.3)将以上两种溶液混合，向混合溶液中加入适量硝酸搅拌20min，然后在50度下反应24小时。1.4)将形成的凝胶在80度下干燥，形成干凝胶。1.5)将形成的干凝胶在850℃干燥两小时得到陶瓷粉体Ca0.8Ni0.2Cu3Ti4O12。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高介电陶瓷。实施例3Ca0.5Ni0.5Cu3Ti4O12/PVDF复合材料的制备流程，具体如下：1)制备陶瓷粉体Ca1-xNixCu3Ti4O121.1)将0.5molCa(NO3)2,、0.5molNi(NO3)2.6H2O、Cu(N03)2·3H2O这三种物质分别溶解在乙醇和去离子水体积比为(3:1)溶液中。1.2)用乙醇将Ti(OC4H9)4溶解，形成0.5mol/L溶液。1.3)将以上两种溶液混合，向混合溶液中加入适量硝酸搅拌20min，然后在50度下反应24小时。1.4)将形成的凝胶在80℃下干燥，形成干凝胶。1.5)将形成的干凝胶在1000℃干燥两小时得到陶瓷粉体Ca0.5Ni0.5Cu3Ti4O12。2)陶瓷与PVDF的混合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.高介电陶瓷/PVDF的复合材料制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)制备陶瓷粉体：1.1)将Ca(NO3)2,、Ni(NO3)2.6H2O、Cu(N03)2·3H2O这三种物质分别溶解在乙醇溶液溶液中，得到溶液1；Ca(NO3)2,与Ni(NO3)2.6H2O的物质的量比为(1‑X)/X，其中0＜X＜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，向混合溶液中加入适量硝酸搅拌20min，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800‑1000℃的温度下干燥两小时得到陶瓷粉体Ca1‑xNixCu3Ti4O12；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Ca1‑xNixCu3Ti4O12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Ca1‑xNixCu3Ti4O12/PVDF复合材料。

【技术特征摘要】
1.高介电陶瓷/PVDF的复合材料制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)制备陶瓷粉体：1.1)将Ca(NO3)2,、Ni(NO3)2.6H2O、Cu(N03)2·3H2O这三种物质分别溶解在乙醇溶液溶液中，得到溶液1；Ca(NO3)2,与Ni(NO3)2.6H2O的物质的量比为(1-X)/X，其中0＜X＜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，向混合溶液中加入适量硝酸搅拌20min，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800-1000℃的温度下干燥两小时得到陶瓷粉体Ca1-xNixCu3Ti4O12；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Ca1-xNixCu3Ti4O12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Ca1-xNixCu3Ti4...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡会武，石凯，周文英，党智敏，田珂，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61