專利名稱：含有核@殼結(jié)構(gòu)填料的高介電復(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)領(lǐng)域，特別涉及一種含有核@殼結(jié)構(gòu)填料的高介電 復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著各種便攜式電子設(shè)備向微型化、集成化、多功能化方向的發(fā)展，高介電 復(fù)合材料在電子與電力工程技術(shù)方面的應(yīng)用日益廣泛。與此同時，對材料的性能 及制備工藝要求俞為苛刻。傳統(tǒng)的共混和簡單復(fù)合已不再適應(yīng)時代的要求。
陶瓷電容器雖然有高的介電常數(shù)，但需要在高溫下與電極共燒，工藝復(fù)雜， 耗能大，柔韌性差，易于破碎。
有機聚合物基復(fù)合材料可以在較低溫度下復(fù)合，且材料成膜性好，具有彈性， 但是其自身的介電常數(shù)較低，所以通過添加填料來提高聚合物基材料的介電性能 已是既成事實。然而，添料的表面，亦即添料和基體的界面對復(fù)合材料的性能起 著至關(guān)重要的作用。于是對添料的表面改性是目前該領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。表面層材 料的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)及尺寸對材料的性能有很大的影響。目前，該方面的技術(shù)尚不成 熟，有待進一步的調(diào)整和優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種含有核@殼結(jié)構(gòu)填料的高介電復(fù)合材料及其制備方法。其 特征在于，所述復(fù)合材料由鋁和聚苯乙烯組成，按質(zhì)量比鋁的含量范圍為10 45wt%，聚苯乙烯的含量范圍為55 90wt^。
所述含有核@殼結(jié)構(gòu)填料的高介電復(fù)合材料的制備方法，其步驟是-
1)將鋁研磨成粉末，鋁粉在室溫空氣中鈍化4 8小時，或?qū)X粉浸泡在濃硝酸中鈍化0.5 1小時，得到表面處理鋁粉，即核@殼結(jié)構(gòu)填料。
2)稱取聚苯乙烯顆粒，在乙酸乙酯溶液中充分溶解，得到聚苯乙烯的乙酸 乙酯溶液；按不同質(zhì)量分數(shù)比稱取步驟l得到的空氣中鈍化的鋁粉，加入到乙酸 乙酯溶液中超聲作用0.5小時后，再和聚苯乙烯的乙酸乙酯溶液混合，或按不同質(zhì) 量分數(shù)比稱取步驟l得到的濃硝酸中鈍化的鋁粉，加入到聚苯乙烯的乙酸乙酯溶 液中；室溫下攪拌均勻后，澆注成膜，并進行室溫晾干、真空烘干操作，再于溫 度條件為150 18(TC、壓力條件為10 15Mpa的環(huán)境中成型，最后在溫度條件為 0 1(TC的環(huán)境中定型，即得到所述的含有核@殼結(jié)構(gòu)填料的高介電復(fù)合材料。 所述表面處理鋁粉的粒度為20納米 200目。
所述聚苯乙烯的平均分子量在20 50萬之間，密度為1.06g/cm3，熔融溫度范 圍為145 155。C。
本發(fā)明的有益效果是鋁粉經(jīng)過鈍化處理，表面形成一層牢固、均勻、致 密并且絕緣的氧化物包覆層，有效地避免了導(dǎo)電添料因相互接觸而形成漏電導(dǎo)， 降低了材料的介電損耗；鋁粉密度低，不同粒徑的鋁粉原料來源廣泛，表面鈍化 容易，工藝可控；得到的復(fù)合材料介電常數(shù)高，密度低，加工簡單，成本小，并 且具有良好的柔韌性；本發(fā)明所述的復(fù)合材料的制備方法工藝易控簡單、熱壓溫 度低、節(jié)能環(huán)保。


圖1為用濃硝酸處理鋁粉表面形貌和相態(tài)分析。 圖2為空氣鈍化處理鋁粉的透射電子顯微鏡照片。 圖3為空氣鈍化處理鋁粉的表面成分分析圖。 圖4為空氣鈍化處理鋁粉的X射線衍射圖。
圖5為空氣處理AI/PS復(fù)合材料(10.1 wt%Al， 32.7wt%Al， 38.9wt%Al)的介電常數(shù)隨頻率的變化關(guān)系圖。
圖6為空氣處理AI/PS復(fù)合材料(10.1wt%Al)的介電損耗隨頻率的變化關(guān) 系圖。
圖7為空氣處理AI/PS復(fù)合材料(32.7wt%Al)的介電損耗隨頻率的變化關(guān) 系圖。
圖8為空氣處理AI/PS復(fù)合材料(38.9wt%Al)的介電損耗隨頻率的變化關(guān) 系圖。
圖9為濃硝酸處理AI/PS復(fù)合材料(38.9 wt%Al)的介電常數(shù)隨溫度的變化 關(guān)系圖。
圖10為濃硝酸處理AI/PS復(fù)合材料的介電常數(shù)與AI質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系圖。 圖11為濃硝酸處理AI/PS復(fù)合材料(18.1 wt%Al， 25.8 wt%Al)的介電常
數(shù)與頻率的關(guān)系圖。
圖12為濃硝酸處理AI/PS復(fù)合材料(32.7wt%Al， 38.9wt%Al， 44.6wt%Al)
的介電常數(shù)與頻率的關(guān)系圖。
具體實施例方式
本發(fā)明為一種含有核@殼結(jié)構(gòu)填料的高介電復(fù)合材料及其制備方法。所述含
有核@殼結(jié)構(gòu)填料的高介電復(fù)合材料由鋁和聚苯乙烯組成，按質(zhì)量比鋁的含量 范圍為10 45wt^，聚苯乙烯的含量范圍為55 90wt%。
所述含有核@殼結(jié)構(gòu)填料的高介電復(fù)合材料的制備，其步驟是-
1) 將鋁研磨成粉末，鋁粉在室溫空氣中鈍化4 8小時，或浸泡在濃硝酸中， 鈍化0.5 1小時，再用蒸餾水通過酸式漏斗抽濾、洗滌至中性，得到表面處理鋁粉， 即核@殼結(jié)構(gòu)填料。
2) 稱取一定量聚苯乙烯顆粒，在乙酸乙酯溶液中充分溶解，得到聚苯乙烯的乙酸乙酯溶液；按不同質(zhì)量分數(shù)比(10 45wt%)稱取步驟l得到的空氣中鈍 化的鋁粉，加入到乙酸乙酯溶液中超聲作用0.5小時(采用800W功率，超聲lmin， 間歇5s的方式)后，再和聚苯乙烯的乙酸乙酯溶液混合，或按不同質(zhì)量分數(shù)比 (10 45wt%)稱取步驟1得到的濃硝酸中鈍化的鋁粉，加入到聚苯乙烯的乙酸 乙酯溶液中；室溫下攪拌均勻后，澆注成膜，并進行室溫晾干、真空烘干操作， 再于溫度條件為150 180°C、壓力條件為10 15Mpa的環(huán)境中成型，最后在溫 度條件為0 10'C的環(huán)境中定型，即得到所述的含有核@殼結(jié)構(gòu)填料的高介電復(fù) 合材料。
所述表面處理鋁粉的粒度為20納米 200目。
所述聚苯乙烯的平均分子量在20 50萬之間，密度為1.06g/cm3，熔融溫度 范圍為145 155°C。
下面列舉實施例對本發(fā)明予以說明。 實施例l
取鋁粉放入潔凈器皿中，在室溫下空氣中鈍化4.5小時，鋁粉表面會形成一 層致密、均勻、絕緣的氧化鋁包覆層。稱取lg聚苯乙烯(PS)，將其溶解在10ml 乙酸乙酯溶液中，再稱取0.112g經(jīng)過表面處理的鋁粉，加入到5ml乙酸乙酯溶 液中進行0.5小時的超聲操作(采用800W功率，超聲lmin，間歇5s的方式)， 然后與聚苯乙烯的乙酸乙酯溶液混合，并在室溫下攪拌均勻，澆注成膜，室溫晾 干，真空烘干后，再于溫度為150'C、壓力為10Mpa的環(huán)境中放置20分鐘成型， 最后在溫度條件為Ot:、常壓的環(huán)境中放置20分鐘定型，即得到含有核@殼結(jié)構(gòu) 填料的高介電復(fù)合材料(10.1wt%Al)。 實施例2
取鋁粉放入潔凈器皿中，在室溫下空氣中鈍化4.5小時，鋁粉表面會形成一 層致密、均勻、絕緣的氧化鋁包覆層。稱取lg聚苯乙烯(PS)，將其溶解在10ml 乙酸乙酯溶液中，再稱取0.485g經(jīng)過表面處理的鋁粉，加入到5ml乙酸乙酯溶 液中進行0.5小時的超聲操作(采用800W功率，超聲lmin，間歇5s的方式)， 然后與聚苯乙烯的乙酸乙酯溶液混合，并在室溫下攪拌均勻，澆注成膜，室溫晾 干，真空烘干后，再于溫度為150°C、壓力為10Mpa的環(huán)境中放置20分鐘成型， 最后在溫度條件為OX:、常壓的環(huán)境中放置20分鐘定型，即得到含有核@殼結(jié)構(gòu)填料的高介電復(fù)合材料(32.7wt%Al)。 實施例3
取鋁粉放入潔凈器皿中，在室溫下空氣中鈍化4.5小時，鋁粉表面會形成一 層致密、均勻、絕緣的氧化鋁包覆層。稱取lg聚苯乙烯(PS)，將其溶解在10ml 乙酸乙酯溶液中，再稱取0.637g經(jīng)過表面處理的鋁粉，加入到5ml乙酸乙酯溶 液中進行0.5小時的超聲操作(采用800W功率，超聲lmin，間歇5s的方式)， 然后與聚苯乙烯的乙酸乙酯溶液混合，并在室溫下攪拌均勻，澆注成膜，室溫晾 干，真空烘干后，再于溫度為15(TC、壓力為10Mpa的環(huán)境中放置20分鐘成型， 最后在溫度條件為Ot:、常壓的環(huán)境中放置20分鐘定型，即得到所述的含有核@ 殼結(jié)構(gòu)填料的高介電復(fù)合材料(38.9wt%Al)。 實施例4
取鋁粉放入濃硝酸溶液中，在室溫下浸泡l小時，再用蒸餾水通過酸式漏斗 抽濾、洗滌至中性，鋁粉表面會形成一層致密、均勻、絕緣的氧化鋁包覆層。取 lg聚苯乙烯(PS)，在10ml乙酸乙酯溶液中充分溶解后，取0,221g經(jīng)過表面處理 的鋁粉，加入到聚苯乙烯的乙酸乙酯溶液中，室溫條件下攪拌均勻后，澆注成膜， 并進行室溫晾干、真空烘干操作，再于溫度為15(TC、壓力為10MPa的環(huán)境中放 置20分鐘成型，最后在溫度條件為(TC、常壓的環(huán)境中放置20分鐘定型，即得到 含有核@殼結(jié)構(gòu)填料的高介電復(fù)合材料(18.1wt%Al)。 實施例5
取鋁粉放入濃硝酸溶液中，在室溫下浸泡l小時，再用蒸餾水通過酸式漏斗 抽濾、洗漆至中性，鋁粉表面會形成一層致密、均勻、絕緣的氧化鋁包覆層。取 lg聚苯乙烯(PS)，在10ml乙酸乙酯溶液中充分溶解后，取0.347g經(jīng)過表面處理 的鋁粉，加入到聚苯乙烯的乙酸乙酯溶液中，室溫條件下攪拌均勻后，澆注成膜， 并進行室溫晾干、真空烘干操作，再于溫度為15(TC、壓力為10MPa的環(huán)境中放 置20分鐘成型，最后在溫度條件為O"C、常壓的環(huán)境中放置20分鐘定型，即得到 含有核@殼結(jié)構(gòu)填料的高介電復(fù)合材料(25.8wt。/。AlX 實施例6
取鋁粉放入濃硝酸溶液中，在室溫下浸泡l小時，再用蒸餾水通過酸式漏斗 抽濾、洗滌至中性，鋁粉表面會形成一層致密、均勻、絕緣的氧化鋁包覆層。取lg聚苯乙烯(PS)，在10ml乙酸乙酯溶液中充分溶解后，取0.485g經(jīng)過表面處理 的鋁粉，加入到聚苯乙烯的乙酸乙酯溶液中，室溫條件下攪拌均勻后，澆注成膜， 并進行室溫晾干、真空烘干操作，再于溫度為150'C、壓力為10MPa的環(huán)境中放 置20分鐘成型，最后在溫度條件為(TC、常壓的環(huán)境中放置20分鐘定型，即得到 含有核@殼結(jié)構(gòu)填料的高介電復(fù)合材料(32.7wt%Al)。 實施例7
取鋁粉放入濃硝酸溶液中，在室溫下浸泡l小時，再用蒸餾水通過酸式漏斗 抽濾、洗滌至中性，鋁粉表面會形成一層致密、均勻、絕緣的氧化鋁包覆層。取 lg聚苯乙烯(PS)，在10ml乙酸乙酯溶液中充分溶解后，取0.637g經(jīng)過表面處理 的鋁粉，加入到聚苯乙烯的乙酸乙酯溶液中，室溫條件下攪拌均勻后，澆注成膜， 并進行室溫晾干、真空烘干操作，再于溫度為15(TC、壓力為10MPa的環(huán)境中放 置20分鐘成型，最后在溫度條件為(TC、常壓的環(huán)境中放置20分鐘定型，即得到 含有核@殼結(jié)構(gòu)填料的高介電復(fù)合材料(38.9wt%Al)。 實施例8
取鋁粉放入濃硝酸溶液中，在室溫下浸泡l小時，再用蒸餾水通過酸式漏斗 抽濾、洗滌至中性，鋁粉表面會形成一層致密、均勻、絕緣的氧化鋁包覆層。取 lg聚苯乙烯(PS)，在10ml乙酸乙酯溶液中充分溶解后，取0.804g經(jīng)過表面處理 的鋁粉，加入到聚苯乙烯的乙酸乙酯溶液中，室溫條件下攪拌均勻后，澆注成膜， 并進行室溫晾干、真空烘干操作，再于溫度為15(TC、壓力為10MPa的環(huán)境中放 置20分鐘成型，最后在溫度條件為(TC、常壓的環(huán)境中放置20分鐘定型，即得到 含有核@殼結(jié)構(gòu)填料的高介電復(fù)合材料(44.6wt%Al)。 測試例l
圖1為用濃硝酸鈍化處理過的鋁粉表面形貌和相態(tài)分析。將實施例1中制得 的濃硝酸處理過的鋁粉放置于掃描電子顯微鏡下進行觀察，可以看出，鋁粉表面 生長出鱗片狀氧化物層。
圖2為空氣鈍化處理鋁粉的透射電子顯微鏡照片。將實施例4中制得的空氣鈍 化處理過的鋁粉放置于透射電子顯微鏡下進行觀察，可以看出，在鋁粉表面生成 一均勻、致密的氧化物保護層。
圖3為空氣鈍化處理鋁粉的表面成分分析圖，可以看出，有鋁和氧兩種成分，進一步說明鋁被有效地鈍化了 。
圖4為空氣鈍化處理鋁粉的X射線衍射圖，可以看出，在29=111°， 200°， 220°， 311。， 222°時出現(xiàn)了鋁的特征衍射峰，同時可見一些不規(guī)整的小峰出現(xiàn)， 分析認為是氧化鋁的衍射峰。 測試例2
對實施例1、實施例2和實施例3中所得的復(fù)合材料分別進行介電性能測試。 圖5為空氣處理AI/PS復(fù)合材料(10.1wt%Al， 32.7wt%Al， 38.9wt%Al)的介電 常數(shù)隨頻率的變化關(guān)系圖，圖6為空氣處理AI/PS復(fù)合材料(10.1wt%Al)的介 電損耗隨頻率的變化關(guān)系圖，圖7為空氣處理AI/PS復(fù)合材料(32.7wt%Al)的 介電損耗隨頻率的變化關(guān)系圖，圖8為空氣處理AI/PS復(fù)合材料(38.9wt%Al) 的介電損耗隨頻率的變化關(guān)系圖?？梢钥闯?，所制備復(fù)合材料顯示出高而穩(wěn)定的 介電常數(shù)和非常低的介電損耗。 測試例3
取實施例7中所制得的復(fù)合材料，在一5(TC到5(TC之間每隔1CTC測試一次 介電常數(shù)，圖9為濃硝酸處理AI/PS復(fù)合材料(38.9wt%Al)的介電常數(shù)隨溫度 的變化關(guān)系圖，可以看出，材料的介電常數(shù)隨溫度的變化較平穩(wěn)。 測試例4
對實施例4、實施例5、實施例6、實施例7和實施例8中所得的復(fù)合材料分 別進行介電性能測試。圖10為酸處理AI/PS復(fù)合材料的介電常數(shù)與AI質(zhì)量分數(shù) 的關(guān)系圖，圖11為濃硝酸處理AI/PS復(fù)合材料(18.1 wt%Al， 25.8 wt%Al)的 介電常數(shù)與頻率的關(guān)系圖，圖12為濃硝酸處理AI/PS復(fù)合材料(32.7wt%Al， 38.9wt%Al， 44.6wt%Al)的介電常數(shù)與頻率的關(guān)系圖。
以上所述的實施例，只是本發(fā)明的幾個典型的具體實施方式
，本領(lǐng)域的技術(shù) 人員可以在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種修改。
權(quán)利要求
1.一種含有核@殼結(jié)構(gòu)填料的高介電復(fù)合材料，其特征在于，所述復(fù)合材料由鋁和聚苯乙烯組成，按質(zhì)量比鋁的含量范圍為10～45wt％，聚苯乙烯的含量范圍為55～90wt％。
2. —種含有核@殼結(jié)構(gòu)填料的高介電復(fù)合材料的制備方法，其步驟是1) 將鋁研磨成粉末，鋁粉在室溫空氣中鈍化4 8小時，或浸泡在濃硝酸中， 鈍化0.5 1小時，再用蒸餾水通過酸式漏斗抽濾、洗滌至中性，得到表面處理鋁粉， 即核@殼結(jié)構(gòu)填料。2) 稱取聚苯乙烯顆粒，在乙酸乙酯溶液中充分溶解，得到聚苯乙烯的乙酸 乙酯溶液；按不同質(zhì)量分數(shù)比稱取步驟l得到的空氣中鈍化的鋁粉，加入到乙酸 乙酯溶液中超聲作用0.5小時后，再和聚苯乙烯的乙酸乙酯溶液混合，或按不同質(zhì) 量分數(shù)比稱取步驟l得到的濃硝酸中鈍化的鋁粉，加入到聚苯乙烯的乙酸乙酯溶 液中；室溫下攪拌均勻后，澆注成膜，并進行室溫晾干、真空烘干操作，再于溫 度條件為150 18(TC、壓力條件為10 15Mpa的環(huán)境中成型，最后在溫度條件為 0 1(TC的環(huán)境中定型，即得到所述的含有核@殼結(jié)構(gòu)填料的高介電復(fù)合材料。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種含有核@殼結(jié)構(gòu)填料的高介電復(fù)合材料的制備方 法，其特征在于，所述表面處理鋁粉的粒度為20納米 200目。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種含有核@殼結(jié)構(gòu)填料的高介電復(fù)合材料的制備 方法，其特征在于，所述聚苯乙烯的平均分子量在20 50萬之間，密度為 1.06g/cm3，熔融溫度范圍為145 155°C。
全文摘要
本發(fā)明屬于復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種含有核@殼結(jié)構(gòu)填料的高介電復(fù)合材料及其制備方法。所述復(fù)合材料含有鋁和聚苯乙烯，鋁的含量范圍為10～45wt％，聚苯乙烯的含量范圍為55～90wt％；對鋁粉進行表面鈍化處理，得到核@殼結(jié)構(gòu)填料，配置聚苯乙烯的乙酸乙酯溶液，并按不同質(zhì)量分數(shù)比加入表面處理鋁粉，經(jīng)過攪拌、澆注、晾干、烘干、成型、定型操作，得到含有核@殼結(jié)構(gòu)填料的高介電復(fù)合材料。鋁粉經(jīng)過鈍化處理，表面形成一層氧化物包覆層，有效地避免了導(dǎo)電添料因相互接觸而形成漏電導(dǎo)，降低了材料的介電損耗；復(fù)合材料介電常數(shù)高，密度低，加工簡單，并具有良好的柔韌性；復(fù)合材料的制備方法工藝易控簡單、熱壓溫度低、節(jié)能環(huán)保。
文檔編號C08K9/02GK101293986SQ20081011418
公開日2008年10月29日 申請日期2008年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月30日
發(fā)明者南策文, 程 楊 申請人:清華大學(xué)