專利名稱：一種高介電常數(shù)高彈性三相體納米復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于復(fù)合材料技術(shù)范圍，具體涉及一種高介電常數(shù)、低介電損耗、高彈性、 應(yīng)用廣泛的一種新型高介電常數(shù)三相體納米復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
橡膠基納米復(fù)合材料是以橡膠為基體、填充顆粒以納米尺度分散于基體中的新型高分子復(fù)合材料。由于納米粒子的納米效應(yīng)和納米粒子與基體間強(qiáng)的界面相互作用，橡膠基納米復(fù)合材料具有優(yōu)于相同組分的常規(guī)聚合物復(fù)合材料的電學(xué)、力學(xué)、熱等性能，從而為制備高性能、多功能的新一代復(fù)合材料提供了一條新途徑。橡膠基納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特殊、 性能優(yōu)異，展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景，目前已成為材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)，如在生物仿生材料、 能量存儲器、熱敏材料、壓電材料等方面的應(yīng)用。然而，目前對橡膠彈性體材料的設(shè)計(jì)還有很多不足之處，如介電常數(shù)不高、介電損耗過高、力學(xué)性能差等缺點(diǎn)。當(dāng)前，很難獲得同時(shí)具備柔韌性好和介電常數(shù)高、介電損耗低的兩相體橡膠基復(fù)合材料。例如，為了獲得高介電常數(shù)的復(fù)合材料而大量添加高介電的陶瓷填料，使得復(fù)合材料喪失了橡膠基體優(yōu)異的力學(xué)性能；另外，加入的導(dǎo)電填料(金屬、炭黑、碳纖維、碳納米管等)，特別是當(dāng)導(dǎo)電填料含量接近滲流閾值時(shí)，可以明顯提高復(fù)合材料的介電常數(shù)，同時(shí)又保證了橡膠基體的柔韌性，但隨之復(fù)合材料的介電損耗卻發(fā)生顯著提高，電阻率發(fā)生驟降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，而提供一種同時(shí)具備柔韌性好和介電常數(shù)高、介電損耗低的三相體納米復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明采用硅橡膠、炭黑、鈦酸鋇三相復(fù)合的設(shè)計(jì)方案，以溶液共混的方法制備橡膠基納米復(fù)合材料，為電器元件提供了優(yōu)良的電絕緣復(fù)合材料。一種高介電常數(shù)高彈性三相體納米復(fù)合材料，其特征在于，包括無機(jī)材料導(dǎo)電填料碳黑CB粉和鈦酸鋇BaTiO3(BT)，有機(jī)材料甲基乙烯基硅橡膠VMQ，其配方按體積比為 炭黑CB粉體0. 5 4%，鈦酸鋇粉體(BT)40%及甲基乙烯基硅橡膠VMQ 56 59. 5%。所述材料碳黑粒度為50nm，鈦酸鋇的粒度為0. 1 μ m。本發(fā)明所提供的三相體納米復(fù)合材料采用溶液法混合及低溫?zé)釅毫蚧椒▔褐瞥尚?，其制備工藝過程見圖1為1)配料按上述配方取粒度為50nm炭黑、粒度為0. 1 μ m的鈦酸鋇粉體(BT)和甲基乙烯基硅橡膠，使炭黑CB粉體占總體積0.5 4%，鈦酸鋇粉體(BT)占總體積40%及甲基乙烯基硅橡膠VMQ占總體積56 59. 5% ；2)配樣將甲基乙烯基硅橡膠溶于四氫呋喃THF中，碳黑粉經(jīng)熱處理干燥、研磨后與鈦酸鋇粉(BT)加入硅橡膠溶液中混合、攪拌均勻；3)成型待混合均勻的硅橡膠溶液攪拌蒸干后，將得到的三元復(fù)合材料置于壓片機(jī)上，于170°C，15MPa下熱壓硫化15min成型后，在190°C的烘箱中進(jìn)行3小時(shí)的二段硫化，得到三相體(CB/BaTi03/VMQ)納米復(fù)合材料。本發(fā)明具有以下有益效果1.通過溶液法共混及熱壓硫化法制備成型的三相體 (CB/BaTi03/VMQ)高介電常數(shù)、低介電損耗、高彈性的納米復(fù)合材料，具有高達(dá)960的介電常數(shù)，低介電損耗值(0.04)、柔韌性強(qiáng)且制備工藝簡單的新型介電復(fù)合材料。2.克服傳統(tǒng)制備方法——采用二組分制備復(fù)合材料中存在的諸多問題，本發(fā)明采用三組分制備復(fù)合材料，通過調(diào)節(jié)添加組份的相對含量，可以明顯地改變材料的介電常數(shù)，使之達(dá)到最佳的值， 即高的介電常數(shù)和低的介電損耗。3.熱壓法來降低成型溫度、縮短制備時(shí)間，成型方便，并在較短的時(shí)間內(nèi)獲得了性能穩(wěn)定、韌性好的復(fù)合材料，從而節(jié)省了時(shí)間和能源。


圖1復(fù)合材料制備的工藝流程圖 2A5 的填料 BaTiO3 含量為 40vol %，CB 的含量為 3. 5vol % 的 CB/BaTi03/VMQ 三相復(fù)合材料斷面的SEM照片；圖3三相復(fù)合材料的介電常數(shù)(在103Hz條件下)與CB填料的體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系；圖4室溫時(shí)不同CB含量的復(fù)合材料的介電常數(shù)與頻率的關(guān)系；l-f = 0,2-Α1 中 fCB = 0. 005，3-A2 中 fCB = 0. 01,4-A3 中 fCB = 0. 02，5_A4 中 fCB = 0. 03，6_A5 中 fCB = 0. 035，7-A6 中 fCB = 0. 0375，8-A7 中 fCB = 0. 04 ；圖5在填料CB不同體積分?jǐn)?shù)下，三相復(fù)合材料介電損耗與頻率間的關(guān)系；l-fCB = 0,2-AlfCB = 0. 005,3-A2fCB = 0. 01，4_A3 為 0. 02，5_A4fCB = 0. 03，6_A5fCB =0. 035 ；圖6不同頻率時(shí)A5的CB含量為3. 5vol %的復(fù)合材料的介電常數(shù)與溫度的關(guān)系；I-IO3Hz, 2-104Hz，3_ 105Hz，4_ 106Hz。圖7CB含量為0、3Vol%、3. 5vol %的三相復(fù)合材料的彈性模量與溫度的關(guān)系；1為含量為0，2為含量為3vol %，3為含量為3. 5vol %。以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明為一種新型高介電常數(shù)高彈性無機(jī)/有機(jī)三相體納米復(fù)合材料，該三組分的高介電常數(shù)復(fù)合材料包括納米級導(dǎo)電填料碳黑CB粉體、陶瓷鈦酸鋇BaTiO3粉體和有機(jī)材料甲基乙烯基硅橡膠VMQ組成，其配方按體積比為碳黑CB 0. 5 4%，鈦酸鋇 BaTi0340%,甲基乙烯基硅橡膠56 59. 5%溶液法均勻混合，采用低溫?zé)釅毫蚧ㄖ瞥伞Ｆ渲苽涔に囘^程為1)配料按上述配方取粒度為50nm的0. 056 0. 453克炭黑、粒度為0. 1 μ m， 13. 054g的鈦酸鋇及密度為0. 98g/cm3,3. 34 3. 55g的甲基乙烯基硅橡膠。2)配樣將甲基乙烯基硅橡膠溶于四氫呋喃THF中，經(jīng)熱處理、研磨過的碳黑粉， 鈦酸鋇粉按上述比例加入硅橡膠溶液中混合、攪拌均勻。3)成型待混合均勻的硅橡膠溶液攪拌蒸干后，將得到的三元復(fù)合材料置于壓片機(jī)上，于170°C，15MPa下熱壓硫化15min成型后，在190°C的烘箱中進(jìn)行3小時(shí)的二段硫化， 得到三相體(CB/BaTi03/VMQ)納米復(fù)合材料。
下面再列出按照表1所示的配方，熱壓成樣品進(jìn)行測試的實(shí)例予以進(jìn)一步說明實(shí)施例1將按表1中Al標(biāo)號配方，采用上述制備方法將13. 054g的feTi03，3. 5569g的VMQ， 0. 05673g的CB三種材料充分混合均勻，在熱壓機(jī)上170°C熱壓硫化(壓力為15MPa，時(shí)間為15min)成型后，在190°C的烘箱中進(jìn)行3小時(shí)的二段硫化，工藝流程如圖1所示的后半部分。其三相復(fù)合材料(CB/BT/VMQ)的介電常數(shù)對應(yīng)圖4中的2，介電損耗對應(yīng)圖5中的2.實(shí)施例2A2-A6將CB粉和VMQ按表1中A2-A6標(biāo)號配比和上述制備方法，與13. 054g的BaTiO3充分混合均勻，在熱壓機(jī)上170°C熱壓硫化(壓力為15MPa，時(shí)間為15min)成型后，在190°C的烘箱中進(jìn)行3小時(shí)的二段硫化，工藝流程如圖1所示。利用該方法可以制得一系列樣品，樣品配比為A2-A6的三相復(fù)合材料的介電常數(shù)隨頻率的變化對應(yīng)圖4中的3-7，樣品配比為 A2-A5的三相復(fù)合材料的介電損耗隨頻率的變化對應(yīng)圖5中的3-6，樣品配比為A5的三相復(fù)合材料的介電常數(shù)與溫度和頻率的關(guān)系對應(yīng)圖6。樣品配比為A4和A5的三相復(fù)合材料的彈性模量分別對應(yīng)圖7中的2和3.實(shí)施例3A7將CB粉和VMQ按表1中的A7配比與13. 054g的BaTiO3充分混合均勻，在熱壓機(jī)上170°C熱壓硫化(壓力為15MPa，時(shí)間為15min)成型后，在190°C的烘箱中進(jìn)行3小時(shí)的二段硫化，工藝流程如圖1所示。該樣品隨頻率變化的介電特性對應(yīng)圖4中的8。從附圖3中可以看出，由炭黑、鈦酸鋇和硅橡膠組成的三相復(fù)合材料的滲流閾值在炭黑體積分?jǐn)?shù)為3. 5%的時(shí)候出現(xiàn)。當(dāng)炭黑體積含量為3. 5%時(shí)，三相復(fù)合材料具有高的介電常數(shù)(圖3可知)，低的介電損耗(圖5中的6可知)和較高的彈性(圖7中的3可知)。表 權(quán)利要求
1.一種高介電常數(shù)高彈性三相體納米復(fù)合材料，其特征在于，包括無機(jī)材料導(dǎo)電填料碳黑CB粉和鈦酸鋇BaTiO3 (BT)，有機(jī)材料甲基乙烯基硅橡膠VMQ，其配方按體積比為炭黑CB粉體0. 5 4%，鈦酸鋇粉體(BT) 40%及甲基乙烯基硅橡膠VMQ 56 59. 5%。
2.按照權(quán)利要求1的一種高介電常數(shù)高彈性三相體納米復(fù)合材料，其特征在于，所述導(dǎo)電填料碳黑CB粒度為50nm，鈦酸鋇的粒度為0. 1 μ m。
3.權(quán)利要求1的三相體納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，采用溶液法混合及低溫?zé)釅毫蚧椒▔褐瞥尚停渲苽涔に囘^程為1)配料按上述配方取粒度為50nm炭黑、粒度為0.1 μ m的鈦酸鋇粉體(BT)和甲基乙烯基硅橡膠，使炭黑CB粉體占總體積0.5 4%，鈦酸鋇粉體(BT)占總體積40%及甲基乙烯基硅橡膠VMQ占總體積56 59. 5% ；2)配樣將甲基乙烯基硅橡膠溶于四氫呋喃THF中，碳黑粉經(jīng)熱處理干燥、研磨后與鈦酸鋇粉(BT)加入硅橡膠溶液中混合、攪拌均勻；3)成型待混合均勻的硅橡膠溶液攪拌蒸干后，將得到的三元復(fù)合材料置于壓片機(jī)上，于170°C，15MPa下熱壓硫化15min成型后，在190°C的烘箱中進(jìn)行3小時(shí)的二段硫化，得到三相體(CB/BaTi03/VMQ)納米復(fù)合材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高介電常數(shù)高彈性三相體納米復(fù)合材料及其制備方法。材料包括無機(jī)材料導(dǎo)電填料碳黑CB粉和鈦酸鋇BaTiO3(BT)，有機(jī)材料甲基乙烯基硅橡膠VMQ，其配方按體積比為炭黑CB粉體0.5～4％，鈦酸鋇粉體(BT)40％及甲基乙烯基硅橡膠VMQ 56～59.5％；制備方法是將BT、CB粉體熱處理、研磨，配制VMQ溶液，采用溶液法混合及低溫?zé)釅毫蚧椒▔褐瞥尚?，并后處理。本發(fā)明的三相體(CB/BaTiO3/VMQ)介電常數(shù)高、介電損耗低、彈性高，熱壓法降低成型溫度、縮短制備時(shí)間，成型方便，并在較短的時(shí)間內(nèi)獲得了性能穩(wěn)定、韌性好的復(fù)合材料，從而節(jié)省了時(shí)間和能源。
文檔編號C08K3/24GK102199356SQ20101013058
公開日2011年9月28日 申請日期2010年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月22日
發(fā)明者黨智敏, 夏兵 申請人:北京化工大學(xué)