太原科技大学胡季帆团队研究成果:BST/PVDF纳米复合材料介电性能的研究

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研究背景

电子元器件发展趋势：电子元器件正朝着高度集成化和小型化方向发展，这对介电电容器的性能提出了更高要求。

介电材料的重要性：介电薄膜材料在电容器中扮演关键角色，其介电性能直接影响电容器的储能密度和充放电效率。

现有材料局限性：无机高介电陶瓷虽具有高介电常数，但介质损耗大；有机聚合物材料介电常数低，难以满足低电压应用需求。PVDF虽有较高介电常数和良好柔性，但单一材料仍难以满足高性能需求。

复合材料研究进展：将高介电无机纳米颗粒引入聚合物基材中制备复合材料，成为提升介电性能的有效途径。然而，填料与聚合物的界面相容性和分散性仍是制约性能提升的关键因素。

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创新亮点

（1）多粒径BST填料设计

采用了3种不同粒径（200、600、900 nm）的BST纳米颗粒作为填料，系统探究了粒径对BST/PVDF复合材料介电性能的影响，为填料粒径的优化提供了理论依据。精准粒径控制：通过精确控制BST纳米颗粒的粒径，实现了对复合材料介电性能的精准调控。

（2）旋转涂布法制备工艺

采用旋转涂布法制备BST/PVDF复合介电薄膜，实现了填料在基材中的均匀分散，提高了复合材料的界面相容性。高效分散技术：旋转涂布法利用离心作用，使纳米颗粒在基材表面均匀成膜，显著提高了填料的分散性和复合材料的介电性能。

（3）介电性能温度依赖性研究

系统研究了BST/PVDF复合材料在-60～120 ℃温度范围内的介电性能变化，揭示了温度对复合材料介电性能的影响规律。温度效应解析：通过介电温谱分析，明确了复合材料在不同温度下的介电弛豫过程和极化机制，为高温或低温环境下的应用提供了理论支持。

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图文展示

图1 (a) 不同BST200填料体积分数的BST/PVDF薄膜的X射线衍射图；(b) 不同BST填料粒径的BST/PVDF薄膜的X射线衍射图。

Fig. 1 (a) XRD patterns of BST/PVDF films for various volume percentages of BST200 nanofillers; (b) XRD patterns of BST/PVDF films for various particle sizes of BST nanofillers

 图2 不同BST/PVDF薄膜在100 Hz下测量的介电常数的实验和两种理论计算结果的比较。

Fig. 2 Comparison of the experimental and two theoretical calculations of the dielectric constant of various BST/PVDF films at the testing frequency of 100 Hz

图4 不同温度下xBST600/PVDF薄膜的介电常数(ε_r)和介电损耗(tanδ)的频谱:(a)-(f)xBST600/PVDF薄膜(x=3%、5%、7%、9%、11%、15%（摩尔分数）)。

Fig. 4 Frequency spectra of the ε_r and tanδ of the xBST600/PVDF films at different temperatures: (a)-(f) xBST600/PVDF films (x=3vol%,5vol%,7vol%,9vol%,11vol% and 15vol%)

图5 不同温度下xBST900/PVDF薄膜的介电常数(ε_r)和介电损耗(tanδ)的频谱：(a)-(f) xBST900/PVDF薄膜 (x=3%、5%、7%、9%、11%、15%（摩尔分数）)。

Fig. 5 Frequency spectra of the ε_r and tanδ of the xBST900/PVDF films at different temperatures: (a)-(f) xBST900/PVDF films (x=3vol%,5vol%,7vol%,9vol%,11vol% and 15vol%)

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结论

本文通过旋转涂布法制备了BST/PVDF纳米复合材料薄膜，系统探究了BST填料粒径和体积分数对复合材料介电性能的影响，并研究了其温度依赖性。主要结论如下：

（1）介电常数显著提升：BST填料的引入显著提高了PVDF基复合材料的介电常数，且介电常数随BST体积分数的增加而增加。粒径效应：较小粒径的BST填料在复合材料中产生的界面缺陷较少，有利于介电常数的提升。

（2）介电损耗有效控制：复合材料在保持高介电常数的同时，有效控制了介电损耗，实现了高介电常数和低介电损耗的平衡。低损耗机制：旋转涂布法制备的复合材料薄膜界面缺陷少，有效降低了电导损耗和极化损耗。

（3）温度依赖性明确：BST/PVDF复合材料的介电性能在-60～120 ℃温度范围内具有较强的温度依赖性，主要由聚合物基体决定。温度效应指导：明确了复合材料在不同温度下的介电性能变化规律，为高温或低温环境下的应用提供了设计依据。

（4）模型预测准确：Jayasundere-Smith模型在预测BST/PVDF复合材料介电常数方面表现出较高的准确性，为复合材料的设计提供了理论支持。模型应用：通过模型预测与实验结果的对比验证，为后续复合材料的研究和开发提供了可靠的预测方法。

END