一种巨介电陶瓷填料/介电弹性体复合材料及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种巨介电陶瓷填料/介电弹性体复合材料及制备方法。所述复合材料中巨介电陶瓷填料为A位和B位掺杂钛酸锶钡(BaSrTiO3)，其中介电弹性体复合材料基体材料为天然橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶和聚氨酯等。选取天然橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶和聚氨酯100份，硫化剂1

【技术实现步骤摘要】
一种巨介电陶瓷填料/介电弹性体复合材料及制备方法


[0001]本专利技术属于介电弹性体复合材料领域，其目的在于制备一种巨介电陶瓷填料/介电弹性体复合材料。

技术介绍

[0002]介电弹性体是通过给薄膜两侧施加外加电场而发生形变的新型智能材料，与其他一些传统的智能材料如记忆合金相比，介电弹性体具更加优异的机电转换率、更加明显的驱动变形、更快的响应速度等。正因为这些优异的性能，介电弹性体材料已经被广泛应用在盲文显示、人工肌肉、仿生机器人手臂以及水下仿生机械设计等工程，扮演着越来越重要的作用。
[0003]但在实验过程中，介电弹性体往往需要较大的驱动电压才能获得较大的应变。经研究发现，向丁腈橡胶、天然橡胶、硅橡胶以及聚氨酯中填充导电颗粒如银、石墨烯、碳纳米管等可以提高介电弹性体复合材料的介电常数，从而降低使用电压。然而导电填料的添加达到逾渗阈值之前，导电填料的添加会使介电常数持续上升，但是超过逾渗阈值时，此时复合材料的介电损耗会增加，并且容易发生电击穿，不利于实际应用。
[0004]此外，向丁腈橡胶、天然橡胶、硅橡胶以及聚氨酯中填充高介电陶瓷填料，如二氧化钛(TiO2)、钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铜钙(CCTO)也可以大幅度提高复合材料的介电常数。但往往需要大量的陶瓷填料才会使得复合材料的介电常数增加，大掺量陶瓷填料导致复合材料脆性增大，弹性模量升高，进而导致需要很大的电压才会使得复合材料产生形变，对设备和人体都会产生较大伤害。
[0005]因此制备一种具有巨介电常数、低介电损耗的巨介电陶瓷填料，并将其添加到丁腈橡胶、天然橡胶、硅橡胶以及聚氨酯中。与传统陶瓷填料相比，本次实验制备的巨介电陶瓷填料仅需少量填料便使介电弹性体复合材料拥有高介电常数低介电损耗，并且具有低弹性模量，也可在较低电压下获得较大的电致形变，极大地改善了大量陶瓷填料才会提高复合材料的介电常数的现状，拓宽了介电弹性体的应用范围。

技术实现思路

[0006]为了解决现有不足，本专利技术提出通过以钛酸锶钡(BaSrTiO3)为基体，离子掺杂的方式大幅度提高其介电常数让其具有巨介电性能，使介电弹性体复合材料在保持高介电常数的情况下还能保持较好的力学性能和高电致形变。
[0007]一种具有高介电性能、高电致形变的介电弹性体复合材料，以质量份数计，其组成为：
[0008]丁腈橡胶、天然橡胶、硅橡胶、聚氨酯：100份
[0009]交联剂：过氧化二异丙苯(DCP)1
‑
5份。
[0010]巨介电陶瓷填料：粒子填充钛酸锶钡。
[0011]所述粒子：A位掺杂：可添加铍(Be)、镁(Mg)、钙(Ca)、镭(Ra)、锂(Li)、钠(Na)、钾
(K)、铷(Rb)、铯(Se)、钪(Sc)、钇(Y)、镧系(La
‑
Lu)。
[0012]B位掺杂：可添加钪(Sc)、钇(Y)、镧系(La
‑
Lu)、钒(V)、铌(Nb)、钽(Ta)、锆(Zr)、铪(Hf)、鈩(Rf)。
[0013]所述巨介电陶瓷填料粒径为30nm
‑
60nm。
[0014]所述介电弹性体复合材料，其拉伸强度为0.71
‑
1.5MPa，断裂伸长率为200％
‑
1000％，1kHz下的介电常数大约为104‑
106，介电损耗为0.002
‑
0.2，弹性模量为0.3
‑
0.8MPa，击穿电压为20
‑
60kV/mm，产生的电致形变为20
‑
40％。
[0015]该工作当中，作者提出了一种涉及巨介电陶瓷填料的策略，同时将施主和受主的异质原子置换引入到基体材料当中。前者通过还原宿主附近的过渡金属原子而产生离域电子，而后者是通过提供局部缺氧环境，以帮助还原的宿主阳离子抑制离域电子。从而使局部离域电子、置换的掺杂原子(包括施主和受主)及还原的宿主阳离子的局部组合形成缺陷
‑
偶极复合体。整个缺陷
‑
偶极子复合簇是电荷平衡的。由于产生的局域电子受到缺氧环境的束缚，不能在结构中进行晶格跳跃，故能实现高介电常数、低介电损耗的介电性能。
[0016]复合材料制备方法，包括以下步骤：
[0017]以质量分数计，将丁腈橡胶、天然橡胶、硅橡胶以及聚氨酯各100份，交联剂1
‑
5份，巨介电陶瓷填料5
‑
20份通过混炼机混合均匀，在硫化机上以10
‑
20MPa压力，150
‑
180℃下硫化25
‑
50分钟。
[0018]本专利技术的有益效果为：
[0019]本专利技术通过制备一种具有巨介电性能的陶瓷填料，并将其填充到丁腈橡胶、天然橡胶、硅橡胶和聚氨酯中，所制得的介电弹性体复合材料拥有高介电常数、低介电损耗、低弹性模量、良好的延展性以及可以在较低电压下获得高电致形变的优点。本次实验所用巨介电陶瓷填料制备简单，并且所用量较少，极大改善了传统介电陶瓷填料无法兼顾高介电常数和低弹性模量的现状，推进了介电弹性体的实际应用。
[0020]具体实施方法
[0021]下面结合具体实施方式，对本专利技术做进一步说明。需要注意的是，下面仅仅是示例性，而不是限制其应用。
[0022]本实施方式中
[0023]断裂伸长率测定：根据国标GB/T528
‑
2009，采用型号为RG 2000
‑
100的微机控制电子万能试验机测样品的应力应变曲线，从应力应变曲线中获得拉伸强度和断裂伸长率。
[0024]电致形变测定：将复合材料上下表面喷上自制柔性电极，放置于鼓风烘箱中30
‑
40℃下干燥4h，使得柔性电极固化，所述柔性电极由硅橡胶6
‑
11g、二甲基硅油6
‑
11g、炭黑3
‑
8g、正庚烷200
‑
600ml、固化剂0.5
‑
2g混合而成。将直流高压电源的正负极搭在柔性电极上下两个表面，控制电压由初始电压0V以0
‑
50V/s的速度匀速上升，测定介电弹性体柔性电极方向上的电致形变和击穿电压。
[0025]介电常数测定：采用美国Agilent E4980A阻抗仪在室温下测试介电性能，测试频率范围为10
‑
106Hz。
[0026]实施方式一：
[0027]首先称取7g的氢氧化铍(BeOH)颗粒溶于100ml去离子水中，然后分别称取2g氢氧化锶(Sr(OH)2)和0.8g氢氧化钡(Ba(OH)2)，最后再加入2g酞酸四丁酯，搅拌均匀后放入反应
釜中，在180℃下加温24h，待冷却后拿出，然后分别用去离子水和无水乙醇清洗三次，放在60℃烘箱中24h，待干燥后取出研磨至粉末。所述介电弹性体复合材料，其特征在于，包括其制备方法：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种巨介电陶瓷填料/介电弹性体复合材料及制备方法，其特征在于：所述的制备方法包括按顺序进行的下列步骤：(1)首先称取7g的氢氧化物颗粒溶于100ml去离子水中，然后分别称取2g氢氧化锶(Sr(OH)2)和0.8g氢氧化钡(Ba(OH)2)，最后再加入2g酞酸四丁酯，搅拌均匀后放入反应釜中。(2)在180℃下加温24h，待冷却后拿出，然后分别用去离子水和无水乙醇清洗三次，放在60℃烘箱中24h，待干燥后取出研磨至粉末。(3)所述介电弹性体复合材料，其特征在于，包括其制备方法：以质量分数计，橡胶选择100份，交联剂1
‑
5份，巨介电填料5
‑
20份，通过混炼机混炼均匀，然后在150
‑
180℃下硫化25
‑
50分钟。(4)然后测量介电弹性体复合材料的断裂伸长率、介电性能以及电致形变。2.根据权力1所述的巨介电陶瓷填料的制备方法，其特征在于Ti∶Ba∶Sr＝1∶0.3∶0.7。3.根据权力1所述，其断裂伸长率测...

【专利技术属性】
技术研发人员：阮梦楠，刘晓伟，刘志锋，蒋婷婷，
申请(专利权)人：天津城建大学，
类型：发明
国别省市：