半导体BaTiO3/PVDF两相复合材料的制备及介电性能研究

谢佳慧

摘    要：以PVDF为基体与BaTiO3进行两相复合，得到BaTiO3/PVDF两相复合材料的介电性能会得到很大程度的改善。本实验探索了BaTiO3/PVDF两相复合材料，研究有机聚合物基体的特性、原料比例和制备方法等，从而合成具有高介电性能的复合材料。通过实验发现，质量含量为90%的BaTiO3与质量含量为10%的PVDF复合时材料的介电常数可达到15932。

关键词：半导体钛酸钡;聚偏氟乙烯;复合材料;介电性能

一、材料与方法

（一）合成原料

（1）钛酸钡是钙钛矿型晶体结构，有三斜、斜方、四方、六方和立方五种晶型[1]，常温状态下介电常数可达5000多[2]，居里温度（120℃）附近，介电常数高达10000[3]。作为铁电体，钛酸钡极化时介电常数大，具有良好介电性能。使钛酸钡陶瓷具有更高的介电常数，是掺杂改性的关键。

（2）有机聚合物一般质量轻、柔韧性好。在外电场作用下介电损耗较低，但介电常数不高。常见有机聚合物介电性能见表1所示。

从表1中可看出，聚偏氟乙烯的介电常数在有机聚合物中偏高。

（二）半导体BaTiO3的制备

固相合成法原理：Ba（NO3）2+Ti=BaTiO3+N2O3

原料：Ba（NO3）2与Ti的物质的量之比为1：3，即取7.84g硝酸钡粉末，4.31g钛粉。

仪器：天平、研钵、压片机、磨具、坩埚片、马弗炉

步骤：（1）称取硝酸钡粉末和钛粉。（2）先把硝酸钡粉末研细，再放入钛粉仪器研磨30min。（3）将磨好的粉末装入磨具内放入压片机，压力为2MPa，保压时间60s。（4）将压好的片放在坩埚内，放入马弗炉烧结，550℃保温6h。（5）进行XRD测试。

（三）半导体BaTiO3/PVDF两相复合材料的制备

实验方法：控制变量法。通过改变钛酸钡与PVDF的质量比和体积比，制备出10中不同配比的复合材料，进而确定最佳比例。

原料：钛酸钡粉末、聚偏氟乙烯、无水乙醇

仪器：天平、烧杯、超声机、烘干箱、研钵、压片机、磨具

步骤：（1）根据比例称量钛酸钡粉末和PVDF。（2）将称量好的PVDF与20ml无水乙醇混合放入烧杯中，搅拌均匀，覆上一层保鲜膜。（3）放入超声机中超声20min。（4）取出烧杯静置，等待澄清，再加入定量钛酸钡粉末，覆上保鲜膜，振荡均匀。（5）放入超声机中超声30min。（6）超声完毕后取出烧杯，取下保鲜膜，放入烘干箱中烘干。（7）烘干之后放入研钵中研细成粉末，装入袋中备用。

二、测试与结果

（一）XRD（X-raydiffraction）测试

衍射仪参数设置：进口仪器连续扫描的速度为10°/min，扫描角度10°～90°。将过筛后的样品，适量平铺在玻璃板凹槽中，用干净的玻璃片将样品表面刮压平滑，与框架平面水平，放入样品台上开始测试，样品与探测仪按照θ-2θ关系连续转动，电脑自动记录数据，与标准PDF卡片对比分析样品组成与纯度。

（二）介电常数测试

将两相复合材料粉末研磨后，两面包覆铝箔，置于模具中，利用粉末压片机压制，压力为2Mpa，保压2min。压制结束取下样品圆片，利用精密数字电桥仪器，在20Hz～2MHz的频率范围内进行介电测试，所得结果如下：（纯钛酸钡陶瓷的介电常数为5679）

三、结论

从实验结果看，钛酸钡和PVDF的复合改善了介电性能，并且使复合的材料柔性增加。

（1）BaTiO3：PVDF=9：1时可以提高介电性能，尤其是质量比为9：1时，介电常数有很大程度的提高，甚至可以达到15932。

（2）随着PVDF含量的增加，介电常数减小，这是因为PVDF本身介电常数小，含量的增加使介电常数降低显著。

（3）通过本实验，确定了钛酸钡与PVDF两相复合的最佳比例，可以此为基体进行其他实验，更进一步地改善介电性能。

参考文献：

[1]Kumar S， Raju V S， Kutty T R N. Investigations on the chemical states of sintered barium titanate by X-ray photoelectron spectroscopy[J]. Applied surface science， 2003， 206（1）： 250-261

[2]Roberts S， Dielectric constants and polarizabilities of ions in Simple crystals and barium titanate[J]. Physical Review， 1949， 76（8）： 1215-1220

[3]Wang J， Xu B K， Ruan S P， et al. Preparation and electrical properties of humidity sensing films of BaTiO3/polystyrene sulfonic sodium [J]. Materials Chemistry and physics， 2003， 78（3）： 746-750

[4]李蕊. 基于PVDF的全有機介电材料制备、结构与性能[D]. 武汉： 武汉理工大学，2010