聚合物鐵電復(fù)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(fù)合材料。聚合物鐵電復(fù)合材料是一種聚合物和鐵電陶瓷的復(fù)合材料。鐵電材料具有廣泛的應(yīng)用，因?yàn)樗母呓殡娦越殡姵?shù)。但它具有機(jī)械強(qiáng)度差和較低的斷裂強(qiáng)度，可以由聚合物矩陣來補(bǔ)償。聚合物具有良好的機(jī)械性能、易于合成、低聲波阻抗和高介電擊穿強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是較低的介質(zhì)常數(shù)。類似地，陶瓷力學(xué)性能很差、脆弱、聲波阻抗高、擊穿強(qiáng)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?yàn)檫@是一個(gè)比較新的領(lǐng)域，需要做大量的工作來對(duì)其進(jìn)行深入的了解，以便可以有效地用于各種應(yīng)用。
 

　　RosalinBeura等對(duì)這方面進(jìn)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(fù)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(yīng)路線制備的，對(duì)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(fù)合材料是以聚乙烯醇為聚合物基體制備的。掃描電鏡結(jié)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(duì)該材料的介電和阻抗性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究，發(fā)現(xiàn)這些性能對(duì)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?jǐn)?shù))為例)。
 

　　另外，有研究指出陶瓷與聚合物復(fù)合可以大大提高材料的耐擊穿強(qiáng)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(fù)合材料的介電性能中起到了重要的作用。適當(dāng)?shù)难由炀酆衔锟梢栽黾泳酆衔锏慕殡姄舸?qiáng)度。將無機(jī)填充劑與生物矩陣形成一個(gè)架橋矩陣，使無機(jī)相和有機(jī)相之間形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)。例如，在XiaoliangDou等的研究中發(fā)現(xiàn)，鈦酸鹽和BT發(fā)生反應(yīng)主要是鈦酸鹽的碳烷基鏈和BT表面的羥基反應(yīng)，使烷烴和有機(jī)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(jiān)定。
 

　　BT的鈦酸鹽與PVDF之間的相互交聯(lián)會(huì)導(dǎo)致有機(jī)相與無機(jī)相之間形成一個(gè)狹窄的接口，此外BT可以適當(dāng)延長(zhǎng)PVDF涂層矩陣導(dǎo)致刃型位錯(cuò)，BT粒子雜質(zhì)增加PVDF的缺陷，這些因素導(dǎo)致更多和更深的陷阱，使復(fù)合材料的空間電荷增加，從而增加材料的耐擊穿強(qiáng)度。JunjunLi等在研究電能儲(chǔ)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?jǐn)?shù))BaTiO3納米粒子聚合物陶瓷復(fù)合材料的電場(chǎng)位移密度較小(在100MV/m的電場(chǎng)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(jié)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(jié)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(chǔ)存器的有機(jī)鐵電材料，即陶瓷/聚合物0-3復(fù)合材料以及介電常數(shù)高于1000的聚合物復(fù)合材料，可用于電子包裝、超級(jí)電容器等領(lǐng)域。聚合物鐵電復(fù)合材料應(yīng)用價(jià)值巨大，還需要進(jìn)行更加細(xì)致深入的研究。