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一种全新的介电复合材料制造技术

技术编号:20881411 阅读:50 留言:0更新日期:2019-04-17 13:02
本发明专利技术属于介电复合材料领域,具体涉及一种全新的介电复合材料。具体技术方案为:以冷冻浇注法构建定向排布的层状多孔陶瓷结构,再向所述层状多孔陶瓷结构中填充聚合物,即可获得所需介电复合材料。本发明专利技术创造性地将冷冻浇注法与介电复合材料的制备结合起来,简单有效地获得了具有定向、层状和多孔特征的材料。由于浆料配置中溶剂多样可选,这种方法可适用于陶瓷、金属等材料体系;同时工艺参数简单,且调控方便,可实现高定向度的多孔层状结构。

【技术实现步骤摘要】
一种全新的介电复合材料
本专利技术属于介电复合材料领域,具体涉及一种全新的介电复合材料。
技术介绍
近年来,传统化石燃料日益消耗、环境持续恶化,严峻的能源形势引发了人们对清洁、可再生能源的关注和重视。太阳能电池、燃料电池、锂电池、电容器等作为高效储能器件成为研究热点。其中,电容器以其高功率密度、快放电速率、低生产成本的优势,在智能电网和高能武器(激光枪、雷达)等领域具有更加重要的实用价值。但是,能量密度过低严重限制了高功率电容器的发展。因此,如何提高其能量密度和效率,对于进一步开发及拓宽它的应用具有重大意义。理论上,提高材料的相对介电常数εr和击穿场强E是获得高能量密度的两个重要参数。铁电陶瓷如BaTiO3,Pb(Zr1-xTix)O3(PZT)、Ba(Zr0.3TiO0.7)O3(BZT)等,介电常数值很大,可达成千甚至上万,但是其抗击穿电场很低;相反,聚合物具有高的抗击穿电场,但是其介电常数通常不到十。因此,陶瓷/聚合物介电复合材料能够结合两相优势,兼备高击穿场强和介电常数的优势,成为目前介电材料的研究热点之一。在两相复合体系中,陶瓷相在聚合物基体中的分布状态对复合材料的性能具有重要的影响。文献报道,对于陶瓷填料在聚合物中的分布状态,相比于无规随机分布,填料颗粒呈现有序、规则的定向排列,在相同条件下可以更有效地提高复合物的介电常数。目前,一些研究团队通过不同的工艺方法实现了陶瓷相在聚合物基体中定向排列,以使复合材料获得更高的介电常数和能量密度。如图1所示,研究者H.·A.·采用静电纺丝工艺制备了由BaTiO3纳米纤维交叠的纤维厚垫,再通过环氧树脂填充缝隙,得到钛酸钡/环氧树脂复合材料,同时讨论了复合材料中纤维在不同取向(平行/垂直于电极表面)状态下对介电性能的影响。其研究显示,复合材料在相同陶瓷填料比(2vol%)下,BaTiO3纤维的取向垂直于电极模式下得到的介电常数为11.4,是平行模式下的两倍。但采用这种工艺,BaTiO3溶胶在强电场中进行喷射纺丝,形成的纳米纤维散落在收集装置时容易发散,从而纤维厚垫内部的纳米纤维交替叠加,排列方向难以做到完全一致;同时,利用树脂填充纤维厚垫中的缝隙也不能做到完全致密,影响复合物性能。如图2所示,华中科技大学姜胜林教授团队采用流延法制备了BaTiO3纳米线定向排列的复合物,其得到介电常数为19,储能密度在较低的电场(240kV/mm)下取得了大幅提高(10.8J/cm3)。但该工艺非常粗糙,靠刮膜板的剪切力使纳米线发生取向,作用小,且在流体的厚度方向作用力不同,所以纳米线发生取向的效果并不明显,另外流延工艺参数,如速度、力的大小等无法精确,导致每次实验无法重复一致。如图3所示,同济大学翟继伟教授团队通过两步水热法合成高度(110)取向的BaTiO3纳米线阵列作为填充相制备的BaTiO3/PVDF复合物,介电常数提高到23,在320kV/mm电场下,获得能量密度为11.82J/cm3。但该法工艺条件苛刻、成本高,只能制备小尺寸样品,且一次产量低,难以实现大量生产。如图4所示,ZarelValdez-Nava等人在BaTiO3/环氧树脂复合浆料固化过程中施加各向异性的介电泳,通过对齐排列的颗粒链增加离子和/或电子传输,实现复合物介电常数的提高。但该法只适用于介电常数较低的材料在非匀强电场中受力发生变化,对于介电常数高的BaTiO3等铁电陶瓷颗粒来说,受到电场力而产生的定向排列程度较低,效果不理想。由此可见,调控陶瓷填料在复合物中的分布形态是在不改变陶瓷体系和增加填充量的条件下提高复合物能量密度的有效办法之一。但目前调控陶瓷填料分布形态的方法均存在诸多缺陷,急需提供一种全新的陶瓷填料分布均匀的介电复合材料。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种全新的介电复合材料,该介电复合材料内部的陶瓷填料分布均匀,稳定可靠、可重复性强、可批量生产。为实现上述专利技术目的,本专利技术所采用的技术方案是:一种介电复合材料,以冷冻浇注法构建定向排布的层状多孔陶瓷结构,再向所述层状多孔陶瓷结构中填充聚合物,获得所需介电复合材料。优选的,构建所述层状多孔陶瓷结构的方法为:(1)利用陶瓷粉料和液体介质制备10vol%~30vol%的浆料,对浆料进行消泡后,再根据所需排布的方向设置冷冻条件,对所述浆料进行冰晶定向生长冷冻处理;(2)冷冻干燥去除浆料中的液体介质,获得层状多孔陶瓷生坯;(3)对所述层状多孔陶瓷生坯依次进行脱脂、烧结处理,获得所需层状多孔陶瓷结构。优选的,所述浆料由陶瓷粉料、去离子水制备而成,所述浆料中还包括使陶瓷粉料分散均匀所必需的分散剂。优选的,步骤(1)所述冷冻条件的设置方法为:冰晶生长的起点温度低于冰晶生长的终点温度。优选的,步骤(2)所述冷冻干燥条件为:设置数个等温度差的冷冻干燥温度,在各冷冻干燥温度下分别处理相同时间。优选的,所述填充聚合物的方法为:真空环境下,将所述层状多孔陶瓷结构浸没于聚合物中,保持3~15min后,再取消真空状态;真空、非真空状态交替进行3~7次,填充完成。优选的,将所述填充完成的陶瓷/聚合物介电复合材料置于真空中保持至少12h,再在80℃下保持至少24h。优选的,所述陶瓷主要为氧化物陶瓷、铁电陶瓷和仿生材料陶瓷中的任意一种,和/或,所述聚合物主要为聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚丙烯、环氧树脂中的任意一种。优选的,所述陶瓷为钛酸钡,所述聚合物为环氧树脂。优选的,包括如下步骤:(1)称取去离子水、BaTiO3粉体和BaTiO3粉体1wt%的分散剂,混合,配制BaTiO3体积比为10vol%~30vol%的浆料;球磨分散后,在所述浆料中加入BaTiO3粉体1wt%的粘结剂溶液,慢速搅拌至少12h;再在所得的浆料中加入消泡剂,在真空环境下进行消泡处理;(2)将步骤(1)所得浆料进行定向冷冻处理,冷冻速率25℃/min、冷冻时间7min,凝固过程结束后,取出冰冻生坯;设置冷冻干燥条件:真空环境,将冰冻生坯分别在-55℃、-45℃、-35℃、-25℃、-15℃、-5℃、5℃、15℃、25℃下各干燥3h,得到BaTiO3层状多孔生坯;将所述BaTiO3层状多孔生坯在600℃下脱脂处理3h,再在1250℃保温3h进行烧结,得到BaTiO3层状多孔陶瓷结构;(3)将所述BaTiO3层状多孔陶瓷结构浸没于环氧树脂中,在真空中保持3~15min后,再取消真空状态;真空、非真空状态交替进行3~7次,完成填充,再将其在真空条件下保持下12h以上,在80℃条件下固化24h以上,即得所需的钛酸钡/树脂介电复合材料。本专利技术具有以下有益效果:本专利技术创造性地将冷冻浇注法与介电复合材料的制备结合起来,制备了一种全新的介电复合材料。陶瓷浆料在低温定向温度场下结晶凝固,溶剂在冷却过程中沿着温度梯度进行定向生长,同时推挤陶瓷颗粒、使陶瓷颗粒聚集重排。当凝固结束后将所得一定形状的坯体经低压干燥处理,其中的溶剂在升华过程中被排出,留下以溶剂为模板的生坯,最后经烧结即得具有定向、层状和多孔特征的材料。由于浆料配置中溶剂多样可选,这种方法可适用于陶瓷、金属等材料体系;同时工艺参数简单,且调控方便,可实现高定向度的多孔层状结构。附图说明图1为静电纺丝工艺制备BaTiO3定向排列复本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种介电复合材料,其特征在于:以冷冻浇注法构建定向排布的层状多孔陶瓷结构,再向所述层状多孔陶瓷结构中填充聚合物,即获得所需介电复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种介电复合材料,其特征在于:以冷冻浇注法构建定向排布的层状多孔陶瓷结构,再向所述层状多孔陶瓷结构中填充聚合物,即获得所需介电复合材料。2.根据权利要求1所述的介电复合材料,其特征在于:构建所述层状多孔陶瓷结构的方法为:(1)利用陶瓷粉料和液体介质制备10vol%~30vol%的浆料,对浆料进行消泡后,再根据所需排布的方向设置冷冻条件,对所述浆料进行冰晶定向生长冷冻处理;(2)冷冻干燥去除浆料中的液体介质,获得层状多孔陶瓷生坯;(3)对所述层状多孔陶瓷生坯依次进行脱脂、烧结处理,获得所需层状多孔陶瓷结构。3.根据权利要求2所述的介电复合材料,其特征在于:所述浆料由陶瓷粉料、水制备而成,所述浆料中还包括使陶瓷粉料分散均匀所必需的分散剂。4.根据权利要求2所述的介电复合材料,其特征在于:步骤(1)所述冷冻条件的设置方法为:冰晶生长的起点温度低于冰晶生长的终点温度。5.根据权利要求2所述的介电复合材料,其特征在于:步骤(2)所述冷冻干燥条件为:设置数个等温度差的冷冻干燥温度,在各冷冻干燥温度下分别处理相同时间。6.根据权利要求1所述的介电复合材料,其特征在于:所述填充聚合物的方法为:真空环境下,将所述层状多孔陶瓷结构浸没于聚合物中,保持3~15min后,再取消真空状态;真空、非真空状态交替进行3~7次,填充完成。7.根据权利要求6所述的介电复合材料,其特征在于:将所述填充完成的陶瓷/聚合物介电复合材料置于真空中保持至少12h,再在80℃下保持至少24h。8.根据权利要求1~7任意一项所...

【专利技术属性】
技术研发人员:张斗郭茹罗行马玉鹏黄玉娟
申请(专利权)人:中南大学
类型:发明
国别省市:湖南,43

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