1 引言
    將介電陶瓷粉體分散在聚合物基體中，利用介電陶瓷的高介電常數和聚合物良好的成型工藝性能，可以得到電性能優良、成本低廉的整合式電容器和內藏式電容器介質材料^[1-5]。介電陶瓷/環氧樹脂復合材料是一種重要內藏式電容器介質材料，這種復合材料除具有上述優點外，還有電性能和熱性能穩定、與基材粘結牢固等優點。然而由于環氧樹脂本身的脆性，使得復合材料在應力沖擊條件下容易開裂，限制復合材料在沖擊應力較高和大面積器件中的應用。用玻璃纖維增強環氧樹脂是提高復合材料抗應力沖擊性能的重要途徑，如果將玻璃纖維引入到介電陶瓷/環氧樹脂復合材料中，可以制得抗高沖擊的介電復合材料，而關于介電陶瓷/聚合物/玻璃纖維復合材料的制  備和介電性能研究未見報道。
    本文用熱壓工藝制備了BaTiO₃(BT)/環氧樹脂(EP)/玻璃纖維(GF)和BaTiO₃/炭黑(CB)/環氧樹脂/玻璃纖維介電復合材料，研究了復合材料介電性能與填料含量、頻率以及溫度的關系。
2 實驗
    將BT粉末(平均粒徑為700nm，山東國騰功能陶瓷材料有限公司)和CB(九江亞米特石化有限公司)用質量濃度0.5%的硅烷偶聯劑KH-550的水溶液處理，干燥后備用。在環氧樹脂EP(E-53，岳陽石化環氧樹脂廠)中加入化學計量比的甲基四氫苯酐，并以DMP-30為促進劑，混合均勻得到環氧樹脂膠液。將處理后的BT粉末和CB混入環氧樹脂膠液中，并于50℃條件下超聲分散30min。
    將含有BT和CB的環氧樹脂膠液均勻涂覆在0.15mm的無堿玻璃纖維平紋布(南京玻璃纖維研究設計院)上，然后將浸膠的纖維布在涂有脫模劑的鋼制模具中疊合(三層)，蓋上上模板，用螺栓緊固后送入烘箱中固化，固化制度為100℃/2h、120℃/2h和160℃/4h。冷卻脫模后，去除表面的脫模蠟，得到0.5mm后的介電復合材料。將復合材料裁成直徑為8mm和50mm的測試試樣。復合材料的組成如表1和表2所示。

     
    利用HP4291B阻抗分析儀測試復合材料在1MHz~1GHz下的介電常數；利用自制加熱爐和QBG-3型高頻Q表測試復合材料不同溫度下的介電常數。[-page-]
3 結果與討論
3.1 BT/EP/GF復合材料介電頻譜分析
    BT/EP/GF復合材料的ε_r，和tanδ隨頻率的變化分別由圖1(a)和(b)給出?？梢钥闯?相同頻率下復合材料的ε_r和tanδ隨BT體積含量的增加而上升。如在1MHz條件下，當BT體積含量增加到17%時,復合材料的ε_r升到7.88,tanδ升到0.027。復合材料ε_r隨BT體積含量增加而升高可以用對數法則^[6]來解釋。復合材料tanδ隨BT含量的增加而增大可以從兩個方面來解釋：一方面，隨BT含量增加，樹脂膠液的粘度增大，不但使膠液中陶瓷顆粒間的產生氣孔，還使膠液對玻璃纖維布的浸潤變得困難，導致界面產生空隙，這種氣孔和虛位的增加導致復合材料介電損耗增大；另一方面，隨BT含量增加，因陶瓷表面缺陷引起的電導增大，提高了復合材料的漏電損耗。
    從圖1(a)還看出，復合材料的ε_r頻率的增大而下降，這和Cho等^[7]研究BT/EP復合材料的結果一致。BT陶瓷在頻率較低時有一定的介電松弛現象，而在高頻時沒有明顯的松弛效應。而環氧樹脂在1MHz到1GHz范圍內都有弱的介電松弛現象，因此復合材料的ε_r頻率的變化是低頻時下降較快，而高頻時變得平緩。從圖1(b)看出，復合材料的tanδ隨頻率的增加而上升，這主要是復合材料的漏電損耗增大。圖中顯示復合材料在不同頻段出現的損耗峰，這種現象有別于純BT、EP和玻璃材料，但不同BT含量復合材料的損耗峰位置和形狀非常一致，產生這些現象的物理機制有待進一步研究。

 
3.2 BT/CB/EP/GF復合材料介電頻譜分析
    為了提高復合材料的介電常數，并保證復合材料的成型工藝性能，本文在BT/EP/GF復合材料體系中摻入少量的炭黑。復合材料的介電性能與CB含量及頻率的關系如圖2(a)和(b)所示。從圖中可以看出，BT/CB/EP/GF復合材料的ε_r、tanδ隨CB含量的增加而上升。這與文獻^[8-10]報道的一致。CB在復合材料中相當于形成了許多微小電容,提高了復合材料的極化性能。復合材料介電性能隨頻率的變化趨勢與圖1十分相似,其物理機制相同。

 
3.3 復合材料介電常數與溫度的關系
    BT/EP/GF和BT/CB/EP/GF復合材料在1MHz下的ε_r溫度的變化如圖3(a)和(b)所示。由圖3(a)看出，BT/EP/GF復合材料的ε_r溫度的升高而增大，這和文獻^[11,12]中BT/EP復合材料的研究結果一致，溫度升高使得復合材料中BT和環氧樹脂的ε_r增大。從圖3(a)還可以看出，隨BT含量的增加，復合材料ε_r溫度依賴程度降低。[-page-]

       
    從圖3(b)中可以看出，CB含量對復合材料ε_r溫度的變化影響并不明顯。引起這種現象的一個原因是CB的含量較低，不足以影響復合材料的ε_r溫度的依賴性；另一個原因是，雖然局部CB/EP單元的ε_r溫度升高而增大，而由于溫度引起復合材料的體積膨脹降低了CB/EP單元的極化密度，降低其極化性能，因此，少量的CB在復合材料中對其介電常數的溫度依賴性貢獻不大。
4 結論
    本文通過研究BaTiO₃(BT)/環氧樹脂(EP)/玻璃纖維(GF)和BaTiO₃/炭黑(CB)/環氧樹脂/玻璃纖維復合材料的介電性能與填料含量、頻率以及溫度的關系，得出如下結論：
    (1) BT/EP/GF復合材料的ε_r、tanδ隨BT體積含量的增加而增大，當BT含量為17％，復合材料在1MHz下的ε_r、tanδ分別為7.88和0.027。隨頻率的升高，復合材料的ε_r降，而tanδ上升。
    (2)BT/CB/EP/GF復合材料的ε_r、tanδ隨CB體積含量的增加而上升，當CB含量由0增加到1.0%時，BT含量為17%的復合材料在1MHz下的ε_r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復合材料的ε_r溫度的升高而增加。復合材料中BT含量越低，復合材料ε_r溫度依賴性越強。復合材料ε_r溫度依賴性受CB含量的影響較小。
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