钛酸钡_环氧复合材料制备技术和介电性能的研究1.pdf

第一章绪论

复合材料是一种由两种或两种以上异质、异形、异性的材料组合而成的
多相固体材料，一般由基体组元和增强体或功能组元组成。复合材料的优点
之一是可设计性，即通过对原材料的选择、各组分的分布设计和工艺条件的
保证等手段，使各组分的优点互补，进而呈现出优异的性能[1,2]。
按照用途复合材料可以分为结构复合材料和功能复合材料，按照基体分
复合材料主要有聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳
基复合材料和水泥基复合材料等。其中聚合物基复合材料是目前复合材料的
主要品种，其研究和产品规模与种类都远远超过其它基体的复合材料。在聚
合物基复合材料中，聚合物-无机复合材料是目前研究得最广泛的一类复合材
料，这主要是由于它们具有以下优点：

1.可以综合发挥聚合物和无机物的协同效应。

2.性能的可设计性，可以针对复合材料的性能要求进行材料的设计和制
造，如：当强调耐热性、工艺性时可以选用耐热性高、加工性良好的聚合物
基体材料（如环氧、聚酰亚胺、聚醚砜酮等）与无机材料复合；当需要材料
导电时，可以加入导电性强的无机粒子，如：石墨[3,4]、纳米碳管[5,6]等；当
[7]
需要强化材料的紫外光屏蔽作用时，可以选用TiO2进行复合；当需要强调

成本时，可以选用CaCO3等低价格填料。

3.可以按照需要加工材料的形状，避免多次加工和重复加工，这是一
般的无机材料所不具备的。

复合材料是一种由多种组分复合而成的新型材料，另一个优点是与其中
的某一单个成分相比，在性能上有重要的改进或出现新的性质。这种性能上
的改进或新性质的出现不仅取决于复合材料的组成，还与复合材料的组织结
构密切相关。而复合材料的组织结构主要受各组分的物性和制备工艺控制，
因此组成-结构-性能三者之间的关系成为复合材料研究的焦点所在。

1

1.1电介质及其性能表征

1.1.1电介质的极化

电介质材料最重要的性质是在外电场作用下能够极化。所谓极化，就是
介质内质点（原子、分子、离子）正负重心的分离，从而转变成偶极子。在
电场作用下，构成质点的正负电荷沿电场方向在有限范围内短程移动，组成
一个偶极子[8]。基本极化模型见图1.1，当电介质两极加上电压形成电场时，
与电极相邻的电介质内部将引起极化，在内外电场力的作用下引起电荷的移
动，同时在电介质表面或体积内部形成被约束的电荷[9]。电介质的一个重要
特性是其介电常数及其介电性能随温度、频率和其它因素的变化规律与极化
有关。

图1.1施加电场时电介质的极化模型[9]
Fig.1.1Themodelofpolarizationofdielectricmaterialsunderelectricfield

根据电介质的不同极化类型，陶瓷介质材料极化大体可分为四种类型，
即电子位移极化、离子位移极化、松弛极化和空间电荷极化。

电子位移极化、离子位移极化是一种弹性的、瞬时完成的极化，不消耗
能量。

松弛极化是指当材料中存在着弱联系电子、离子和偶极子等松弛极点
时，热运动使松弛点分布混乱，而电场力图使这些质点按电场规律分布，最
后在一定的温度下发生极化。松弛极化的带电质点在热运动时移动的距离可
2

与分子大小相比拟，甚至更大。它与弹性位移极化不同，它是一种非可逆的
过程。

空间电荷极化常常发生在不均匀介质中，在电场作用下，不均匀介质内
部的正负间隙离子分别向负、正极移动引起材料内各点离子密度变化。宏观
不均匀性，如夹层、气泡，也可形成空间电荷极化。所以上述极化又称界面
极化。它建立需要较长时间，大约几秒到数十分钟，甚至数十小时，因而空
间电荷极化只对直流和低频下的介电性质有影响。

对于聚合物而言，主要包括位移极化(包括电子极化和原子极化)和取向
极化，其中以取向极化贡献最大。非极性聚合物在外电场中只产生诱导偶极
矩，而极性分子在外电场中产生的偶极矩是诱导偶极矩和取向偶极矩之和
[10]。图1.2给出了极化类型与频率的关系及其对介电常数的贡献。通常电介
质极化都是由上述多种极化方式叠加引起的，极化的产生都不是在施加电场
的瞬间完成的，而是需要一定的时间，即所谓弛豫时间。

图1.2各种极化的频率范围及其对介电常数的贡献[8]
Fig.1.2Frequencyofdifferenttypesofpolarizationandfunctionaspolarization
fordielectricpermittivity

1.1.2性能表征参数

（1）电容量

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在电介质众多的基本特性参数中，电容量C是最重要的基本参数之一。
电容量与电极极板面积和电介质介电常数成正比，与极板间距（或电介质的

厚度）成反比：

（1-1）

式中，A为极板面积，t为电极间距离，ε0位真