CN1401698A - 新型高介电常数无机/有机三元复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于复合材料技术的一种新型高介电常数无机/有机三元复合材料及其制备方法，它是以无机材料镍和钛酸钡和有机材料聚偏氟乙烯等，三种材料按比例混合后，经热压而成。具有高于800以上的介电常数，柔韧性强、机械强度高的新型介电复合材料，主要应用于表面贴装电容器和整体封装中的嵌入式电容器。该复合材料及制备方法是热压温度低、成型方便、无环境污染、节能、省电的一种具有广泛应用前景的复合材料。

Description

新型高介电常数无机/有机三元复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料制备技术范围，特别涉及介电常数高、复合温度低、应用广泛的一种新型高介电常数无机/有机三元复合材料及其制备方法。
背景技术
高介电复合材料在电子与电力工程技术方面的应用非常广泛。表面贴装元件或整体封装技术是实现电子整机小型、轻量和薄型化的关键技术：整体封装技术要求采用嵌入式电容器，该电容器材料必须有高的介电常数。目前所用的表面贴装电容器基本上都是多层陶瓷介质电容器(MLCC)，尽管无机陶瓷电容器材料具有极高的介电常数，但陶瓷电容器需要在高温下与电极共烧，工艺复杂，耗能大，柔韧性差，易于开裂，又由于嵌入式电容器的电路基板大部分采用有机物，这决定了陶瓷电容器很难在基板中作为嵌入式电容器使用。因此在对电容器电容要求不是非常高的情况下，片式有机多层薄膜电容器可以解决这个问题。
过去的几年，人们致力于研究陶瓷粉末聚合物基(0-3)复合材料，然而由于有机聚合物自身的介电常数都较低(一般小于10)，在室温时才达到60。例如，台湾东华大学将钛酸钡(BaTiO3)加入到环氧中，复合材料的介电常数为50左右。最近，宾州大学将铌镁酸铅(PMN-PT)陶瓷粉末通过溶液法添加到P(VDF-TrFE即聚二氟乙烯-聚三氟乙烯)共聚物中，在陶瓷的体积分数为50％时，复合材料的介电常数为200左右，如此高含量的陶瓷组分加入，使复合材料的韧性大大降低。培其诺曼(Pecharroman)等人制备了镍(Ni)/钛酸钡(BaTiO3)金属陶瓷复合材料，该材料的介电常数达到80000，但是这种复合材料需要在1300℃进行高温共烧，同时需要用特殊的保护气氛以防止金属Ni的氧化。以上事实说明：(1)铁电组分直接与有机组分复合时，尽管材料有一定的柔韧性，但复合材料的介电常数总是很低。(2)利用渗流效应将导电金属加入到铁电陶瓷，可以大大提高复合材料的介电常数，但仍需要高温共烧，材料缺乏足够的韧性。
近期我们对金属相、铁电相和有机聚合物三种组分的三相复合材料进行了研究，结果发现，新发明的复合材料具有高的介电常数和良好的柔韧性，是一种可用于电容器的介质材料。发明内容
本发明的目的是提供一种新型高介电常数无机/有机三元复合材料及其制备方法，其特征在于：所述高介电常数有机/无机三元复合材料包括无机材料：导电金属(如镍Ni粉)和钛酸钡BaTiO3、有机材料聚偏氟乙烯PVDF组成，其配方按体积比为：镍0～20％，钛酸钡15～20％及聚偏氟乙烯60～80％的粉末均匀混合。
所述材料镍的粒度为0.1～0.2μm，钛酸钡的粒度为0.1～0.5μm；聚偏氟乙烯的粒度与钛酸钡相当。
所述三元复合材料的采用低温热压方法压制成型，其制备工艺过程为：
1)配料：按上述配方取粒度0.1～0.2μm的0.089～0.980克镍粉、粒度为0.1～0.5μm，0.585g钛酸钡粉及0.5～0.75克聚偏氟乙烯粉。
2)配样：将镍粉，聚偏氟乙烯粉，钛酸钡粉按上述比例混合、搅拌均匀。
3)成型：将混合均匀的粉末放在粉末压片机上，在温度为180-220℃，压力为10-15MPa，时间为20分钟热压成型，得到所需的三元(Ni/BaTiO3/PVDF)高介电常数复合材料。
本发明的有益效果：1.通过热压制备的三元(Ni/BaTiO3/PVDF)高介电常数复合材料，具有高的介电常数ε＝800以上，且制备工艺简单，材料韧性好，是一种新型的高介电复合材料。2.克服背景技术的制备方法中存在的诸多问题，我们采用热压法来降低成型温度、缩短制备时间，并在较短的时间内获得了性能稳定、韧性好的复合材料，从而节省了时间和能源。3.通过调节添加组份的相对含量和对组分进行不同的物理化学处理，可以明显地改变材料的介电常数，使之达到最佳的值，即获得介电常数高和介质损耗低的无机/有机三元复合材料。
附图说明
图1为钛酸钡含量对介电常数ε影响的实验值与理论计算比较图；
图2为镍含量对介电常数ε和介质损耗影响曲线；
图3(a)、(b)为在不同镍含量下介电常数ε、电容量C随工作温度的变化；
图4(a)、(b)为在不同镍含量下介电常数ε、电导率Q随实验频率之间的关系；
图5为样品抛光面的显微镜照片；
图6为新鲜样品抛光面的显微镜照片；
图7为新鲜样品抛光面的显微镜照片。
具体实施方式
本发明为新型高介电常数无机/有机三元复合材料及其制备方法，该高介电常数有机/无机三元复合材料包括无机材料镍和钛酸钡、有机材料聚偏氟乙烯组成，其配方按体积比为：镍0～20％，钛酸钡15～20％及聚偏氟乙烯60～80％的粉末均匀混合，采用低温热压法制成。
其制备工艺过程为：
1)配料：按前述比例取粒度0.1～0.2μm的0.089～0.980克镍粉、钛酸钡粉粒度为0.1～0.5μm 0.585g及0.5～0.75克聚偏氟乙烯粉。
2)配样：将镍Ni粉，聚偏氟乙烯PVDF粉，钛酸钡粉按上述比例混合，搅拌均匀。
3)成型：将混合均匀的粉末放在粉末压片机上，在温度为180-220℃，压力为10-15MPa，时间为20分钟热压成型，得到所需的具有介电常数高达800以上，柔韧性好的Ni/BaTiO3/PVDF三元复合材料，用于制造高性能的小体积片式有机多层薄膜电容器。
下面再例举按表1所列配方，热压成样品进行测试的实施例予以进一步说明：
实施例1
将按表1中AO标号配方，20％、0.5852克量的BaTiO3和80％、0.716克的Ni含量为零的两种材料PVDF充分混合均匀，在热压机上200℃热压(压力为10MPa，时间为20min)成型，所测样品的介电常数与BaTiO3体积分数的关系如图1所示，为了对比，用Maxwell-Garrett和Bruggeman方程计算的结果也显示在图1中。fBaTiO3＝0.4时试样的显微组织照片图5中。
实施例2(0-3型)A1-A7
将不同的Ni粉按表1中A1-A7配比和20VO1％，0.5852克的BaTiO3，三者充分混合均匀，在热压机上200℃热压(压力为10MPa，时间为20min)成型，可以制得一系列样品，经测得到如图2所示的介电特性和介质损耗的特性曲线及图3(a)。所示介电常数随实验频率的变化曲线，图3(b)所示的电导率随实验频率的变化曲线。
实施例3将0.9802gNi粉、0.5852gBaTiO3和0.5192gPVDF三者充分混合均匀，在热压机上200℃压力为10MPa，时间为20min热压成型，该样品随工作温度变化的介电特性如图4所。样品的抛光的断面的SEM形貌如图6所示，新鲜的断面的SEM形貌如图7所示。
                     表1成分配方
                          PVDF                   Ni
     标号
                   Vol.％      g         Vol.％        g
     A0             80       0.7160        0        0
     A1             78       0.6982        2        0.0891
     A2             75       0.6711        5        0.2234
     A3             72       0.6443        8        0.3562
     A4             70       0.6274        10       0.4463
     A5             68       0.6093        12       0.5352
     A6             65       0.5826        15       0.6684
     A7             62       0.5556        18       0.8021
     A8             58       0.5192        20       0.9802
说明：每一种复合材料中均含有20vol.％BaTiO3，质量为0.5852g。

Claims (3)

1.一种新型高介电常数无机/有机三元复合材料，其特征在于：所述高介电常数有机/无机三元复合材料包括无机材料：导电金属(如镍Ni粉)和钛酸钡BaTiO3、有机材料聚偏氟乙烯PVDF组成，其配方按体积比为：镍0～20％，钛酸钡15～20％及聚偏氟乙烯60～80％的粉末均匀混合。
2.根据权利要求1所述新型高介电常数无机/有机三元复合材料，其特征在于：所述材料镍的粒度为0.1～0.2μm，钛酸钡的粒度为0.1～0.5μm；聚偏氟乙烯的粒度与钛酸钡相当。
3.一种权利要求1所述新型高介电常数无机/有机三元复合材料的制备方法，其特征在于：所述三元复合材料采用低温热压方法压制成型，其制备工艺过程为：
1)配料：按上述配方取粒度0.1～0.2μm的0.089～0.980克镍粉、粒度为0.1～0.5μm，0.585g钛酸钡粉及0.5～0.75克聚偏氟乙烯粉。
2)配样：将镍粉，聚偏氟乙烯粉，钛酸钡粉按上述比例混合、搅拌均匀。
3)成型：将混合均匀的粉末放在粉末压片机上，在温度为180-220℃，压力为10-15MPa，时间为20分钟热压成型，得到所需的三元(Ni/BaTiO3/PVDF)高介电常数复合材料。
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