[发明专利]一种高介电常数低损耗金属/聚合物复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电介质复合材料制备技术领域，特别涉及介电常数高、损耗低、复合温度低、制备工艺简单的一种高介电常数低损耗金属/聚合物复合材料及其制备方法。

背景技术

在电介质材料领域，单组分材料往往难以满足现代电子工业对材料综合性能的要求。例如铁电陶瓷介电性能优异，介电常数一般都在2000以上，但需要高温烧结，并且脆性大；聚合物材料加工性能好、成型温度低、柔韧性好、介电强度高，但其介电常数普遍较低，一般在2~10之间。为此，科技工作者采用材料复合的方法，开发兼具良好介电性能和加工性能的聚合物基复合材料，这类材料能适应于在有机印制电路板中制作埋入式电容器的低温成型工艺，因而近年来受到了广泛关注。

将高介电常数陶瓷粉末填充到聚合物基体中是获得高介电常数聚合物复合材料的最常用方法，其中钛酸钡（BaTiO₃）粉体已经获得了工业化生产，因其品种齐全、介电常数高且不含有毒铅元素而成为最常用的陶瓷粉体。目前BaTiO₃/环氧树脂和BaTiO₃/聚酰亚胺这类高介电常数复合材料已经在埋入式电容器中获得了实际应用。但是当BaTiO₃含量在50%以下时，这类材料的介电常数一般都在50以下。例如专利文献（CN 101955621 A）报道的BaTiO₃/PVDF复合材料当陶瓷体积百分比含量为50%时，其介电常数在室温1 kHz下为40.75；朱宝库等（朱宝库，谢曙辉，徐又一，徐志康，功能材料，2005, 4, 546-549）制备的BaTiO₃/聚酰亚胺复合材料在相同的陶瓷含量和测试条件下介电常数仅为35。尽管提高BaTiO₃填充量可以进一步增加复合材料的介电常数，但过高的陶瓷填充往往急剧降低复合材料的力学性能，导致材料在使用过程中破裂失效。

利用渗流效应在聚合物中填充金属粉末、炭黑、碳纳米管或导电聚苯胺等导电填料是获取高介电常数聚合物复合材料的另一常用方法。当导电填料的体积百分比含量接近渗流阈值时，复合材料的介电常数迅速增加几十倍甚至几个数量级。例如Rao等（Rao Y, Wong C P, IEEE Polytronic 2002 Conference, 2002, 196-200）以20 μm的片状银粉填充到环氧树脂中，在室温10 KHz下当银的含量为10.4 vol.%时复合材料的介电常数高达2000，损耗为0.24；党智敏等（Dang Z M, Lin Y H, Nan C W, Adv. Mater., 2003, 15, 1625-1629）以5 μm的Ni粉与PVDF复合，在室温100 Hz下Ni体积分数为0.17时，复合材料介电常数为400，损耗为0.2。但这类材料的介电常数与填料含量的关系具有很强的非线性，只有当导电填料含量充分接近其渗流阈值时才会展现高介电常数，并且在获得介电常数峰值时往往对应较高的损耗（>0.1），因而这类材料还无法实用。目前，高介电常数聚合物复合材料研究领域急需开发介电常数高于50，损耗低于0.1，填料体积百分比含量小于50%的聚合物基复合材料的制备方法和技术，以满足电容器高电容量、小尺寸的发展需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高介电常数低损耗的金属/聚合物复合材料及其制备方法。

本发明的一种高介电常数低损耗的金属/聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：

（1）所述高介电常数低损耗聚合物复合材料有着以下的物质组成：自钝化金属Al粉和聚合物基体PVDF；所述的Al粉在复合材料中的体积百分比含量为10~50%；所述聚合物基体PVDF含量为50~90%；所述的自钝化Al粉平均粒径为800 nm，表面有一层在空气中氧化形成的厚度为2~3 nm的Al₂O₃氧化层，Al粉经硅烷偶联剂处理后使用，其中Al粉与硅烷偶联剂的质量比为100:1；所述的聚合物基体PVDF熔点为167 ℃，平均粒径为25 μm。

（2）Al粉的表面处理方法为：室温下将Al粉通过超声分散和搅拌使其在无水乙醇中形成悬浮液，然后加入偶联剂（γ-氨丙基三乙氧基硅烷）后持续搅拌10~30分钟；随后加入去离子水，在40~60℃下超声分散并搅拌15~60分钟；离心分离粉体，然后使用无水乙醇洗涤1~3次后，在60~120℃下真空干燥2~5小时，自然冷却到室温后使用；