BaTiO3/环氧树脂/玻璃纤维复合材料介电性能研究
1 引言
将介电陶瓷粉体分散在聚合物基体中，利用介电陶瓷的高介电常数和聚合物良好的成型工艺性能，可以得到电性能优良、成本低廉的整合式电容器和内藏式电容器介质材料[1-5]。介电陶瓷/环氧树脂复合材料是一种重要内藏式电容器介质材料，这种复合材料除具有上述优点外，还有电性能和热性能稳定、与基材粘结牢固等优点。然而由于环氧树脂本身的脆性，使得复合材料在应力冲击条件下容易开裂，限制复合材料在冲击应力较高和大面积器件中的应用。用玻璃纤维增强环氧树脂是提高复合材料抗应力冲击性能的重要途径，如果将玻璃纤维引入到介电陶瓷/环氧树脂复合材料中，可以制得抗高冲击的介电复合材料，而关于介电陶瓷/聚合物/玻璃纤维复合材料的制 备和介电性能研究未见报道。
本文用热压工艺制备了BaTiO3(BT)/环氧树脂(EP)/玻璃纤维(GF)和BaTiO3/炭黑(CB)/环氧树脂/玻璃纤维介电复合材料，研究了复合材料介电性能与填料含量、频率以及温度的关系。
2 实验
将BT粉末(平均粒径为700nm，山东国腾功能陶瓷材料有限公司)和CB(九江亚米特石化有限公司)用质量浓度0.5%的硅烷偶联剂KH-550的水溶液处理，干燥后备用。在环氧树脂EP(E-53，岳阳石化环氧树脂厂)中加入化学计量比的甲基四氢苯酐，并以DMP-30为促进剂，混合均匀得到环氧树脂胶液。将处理后的BT粉末和CB混入环氧树脂胶液中，并于50℃条件下超声分散30min。
将含有BT和CB的环氧树脂胶液均匀涂覆在0.15mm的无碱玻璃纤维平纹布(南京玻璃纤维研究设计院)上，然后将浸胶的纤维布在涂有脱模剂的钢制模具中叠合(三层)，盖上上模板，用螺栓紧固后送入烘箱中固化，固化制度为100℃/2h、120℃/2h和160℃/4h。冷却脱模后，去除表面的脱模蜡，得到0.5mm后的介电复合材料。将复合材料裁成直径为8mm和50mm的测试试样。复合材料的组成如表1和表2所示。
利用HP4291B阻抗分析仪测试复合材料在1MHz~1GHz下的介电常数；利用自制加热炉和QBG-3型高频Q表测试复合材料不同温度下的介电常数。[-page-]
3 结果与讨论
3.1 BT/EP/GF复合材料介电频谱分析
BT/EP/GF复合材料的εr，和tanδ随频率的变化分别由图1(a)和(b)给出。可以看出,相同频率下复合材料的εr和tanδ随BT体积含量的增加而上升。如在1MHz条件下，当BT体积含量增加到17%时,复合材料的εr升到7.88,tanδ升到0.027。复合材料εr随BT体积含量增加而升高可以用对数法则[6]来解释。复合材料tanδ随BT含量的增加而增大可以从两个方面来解释：一方面，随BT含量增加，树脂胶液的粘度增大，不但使胶液中陶瓷颗粒间的产生气孔，还使胶液对玻璃纤维布的浸润变得困难，导致界面产生空隙，这种气孔和虚位的增加导致复合材料介电损耗增大；另一方面，随BT含量增加，因陶瓷表面缺陷引起的电导增大，提高了复合材料的漏电损耗。
从图1(a)还看出，复合材料的εr频率的增大而下降，这和Cho等[7]研究BT/EP复合材料的结果一致。BT陶瓷在频率较低时有一定的介电松弛现象，而在高频时没有明显的松弛效应。而环氧树脂在1MHz到1GHz范围内都有弱的介电松弛现象，因此复合材料的εr频率的变化是低频时下降较快，而高频时变得平缓。从图1(b)看出，复合材料的tanδ随频率的增加而上升，这主要是复合材料的漏电损耗增大。图中显示复合材料在不同频段出现的损耗峰，这种现象有别于纯BT、EP和玻璃材料，但不同BT含量复合材料的损耗峰位置和形状非常一致，产生这些现象的物理机制有待进一步研究。
3.2 BT/CB/EP/GF复合材料介电频谱分析
为了提高复合材料的介电常数，并保证复合材料的成型工艺性能，本文在BT/EP/GF复合材料体系中掺入少量的炭黑。复合材料的介电性能与CB含量及频率的关系如图2(a)和(b)所示。从图中可以看出，BT/CB/EP/GF复合材料的εr、tanδ随CB含量的增加而上升。这与文献[8-10]报道的一致。CB在复合材料中相当于形成了许多微小电容,提高了复合材料的极化性能。复合材料介电性能随频率的变化趋势与图1十分相似,其物理机制相同。
3.3 复合材料介电常数与温度的关系
BT/EP/GF和BT/CB/EP/GF复合材料在1MHz下的εr温度的变化如图3(a)和(b)所示。由图3(a)看出，BT/EP/GF复合材料的εr温度的升高而增大，这和文献[11,12]中BT/EP复合材料的研究结果一致，温度升高使得复合材料中BT和环氧树脂的εr增大。从图3(a)还可以看出，随BT含量的增加，复合材料εr温度依赖程度降低。[-page-]
从图3(b)中可以看出，CB含量对复合材料εr温度的变化影响并不明显。引起这种现象的一个原因是CB的含量较低，不足以影响复合材料的εr温度的依赖性；另一个原因是，虽然局部CB/EP单元的εr温度升高而增大，而由于温度引起复合材料的体积膨胀降低了CB/EP单元的极化密度，降低其极化性能，因此，少量的CB在复合材料中对其介电常数的温度依赖性贡献不大。
4 结论
本文通过研究BaTiO3(BT)/环氧树脂(EP)/玻璃纤维(GF)和BaTiO3/炭黑(CB)/环氧树脂/玻璃纤维复合材料的介电性能与填料含量、频率以及温度的关系，得出如下结论：
(1) BT/EP/GF复合材料的εr、tanδ随BT体积含量的增加而增大，当BT含量为17％，复合材料在1MHz下的εr、tanδ分别为7.88和0.027。随频率的升高，复合材料的εr降，而tanδ上升。
(2)BT/CB/EP/GF复合材料的εr、tanδ随CB体积含量的增加而上升，当CB含量由0增加到1.0%时，BT含量为17%的复合材料在1MHz下的εr由7.88增大到11.0，tanδ由0.027增大到0.035。
(3)BT/EP/GF和BT/CB/EP/GF复合材料的εr温度的升高而增加。复合材料中BT含量越低，复合材料εr温度依赖性越强。复合材料εr温度依赖性受CB含量的影响较小。
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