聚合物鐵電復合材料的概述

　　在自然界中存在的物質(zhì)一般可分為4大類，即金屬、塑料、陶瓷、復合材料。聚合物鐵電復合材料是一種聚合物和鐵電陶瓷的復合材料。鐵電材料具有廣泛的應用，因為它的高介電性介電常數(shù)。但它具有機械強度差和較低的斷裂強度，可以由聚合物矩陣來補償。聚合物具有良好的機械性能、易于合成、低聲波阻抗和高介電擊穿強度等優(yōu)點，但缺點是較低的介質(zhì)常數(shù)。類似地，陶瓷力學性能很差、脆弱、聲波阻抗高、擊穿強度降低，但有著較高的介電常數(shù)。此外，通過改變成分的性質(zhì)，材料的性能可以被調(diào)諧為所需要的。因為這是一個比較新的領域，需要做大量的工作來對其進行深入的了解，以便可以有效地用于各種應用。
 

　　RosalinBeura等對這方面進行了一定的研究，將聚合物聚乙烯醇(PVA)與鐵電陶瓷BaZr0.1Ti0.9O3(BZT)制備成一種聚合物陶瓷復合材料PVA-BZT(比例為90/10，80/20，70/30，60/40，50/50)。BZT粉末是通過固相反應路線制備的，對BaZr0.1Ti0.9O3初步的X射線分析發(fā)現(xiàn)完成了單相化合物在立方晶系中形成，鐵電化合物的聚合物復合材料是以聚乙烯醇為聚合物基體制備的。掃描電鏡結果顯示BZT顆粒分布均勻無多孔基體。在50～150℃的溫度范圍，102～106Hz的頻率范圍內(nèi)，對該材料的介電和阻抗性能進行了詳細的研究，發(fā)現(xiàn)這些性能對溫度和頻率是高度依賴的。如圖2和3所示，在較低的頻率，介電常數(shù)和介電損耗均隨著溫度的增加而增加(以PVA+40%(體積分數(shù))為例)。
 

　　另外，有研究指出陶瓷與聚合物復合可以大大提高材料的耐擊穿強度。研究發(fā)現(xiàn)，陶瓷粒子與聚合物之間的相互作用在改善復合材料的介電性能中起到了重要的作用。適當?shù)难由炀酆衔锟梢栽黾泳酆衔锏慕殡姄舸姸?。將無機填充劑與生物矩陣形成一個架橋矩陣，使無機相和有機相之間形成交聯(lián)結構。例如，在XiaoliangDou等的研究中發(fā)現(xiàn)，鈦酸鹽和BT發(fā)生反應主要是鈦酸鹽的碳烷基鏈和BT表面的羥基反應，使烷烴和有機體發(fā)生糾纏，此過程加固鈦酸鹽和BT之間的不同屬性鍵連接更加堅定。
 

　　BT的鈦酸鹽與PVDF之間的相互交聯(lián)會導致有機相與無機相之間形成一個狹窄的接口，此外BT可以適當延長PVDF涂層矩陣導致刃型位錯，BT粒子雜質(zhì)增加PVDF的缺陷，這些因素導致更多和更深的陷阱，使復合材料的空間電荷增加，從而增加材料的耐擊穿強度。JunjunLi等在研究電能儲存在含有鈦酸鋇納米顆粒的鐵電聚合物納米材料中，相比于不含BaTiO3納米粒子的聚合物材料，含20%(體積分數(shù))BaTiO3納米粒子聚合物陶瓷復合材料的電場位移密度較小(在100MV/m的電場下，電位移密度低于3.3C/cm2)；含30%BaTiO3，能量密度較高(約是聚合物材料的2倍)；含5%BaTiO3，結晶溫度提升(從100℃升至106℃)，聚合物融化熱升高(從18.3J/g升至20.7J/g)，結晶度增加(從21%升至24%)。
 

　　也有研究者利用酞菁銅齊聚物和P(VDF-TrFE)聚合物開發(fā)了適用于高效能電能儲存器的有機鐵電材料，即陶瓷/聚合物0-3復合材料以及介電常數(shù)高于1000的聚合物復合材料，可用于電子包裝、超級電容器等領域。聚合物鐵電復合材料應用價值巨大，還需要進行更加細致深入的研究。