高介电可调的聚偏二氟乙烯复合材料及其制备方法和应用

本发明涉及材料，具体涉及一种高介电可调的聚偏二氟乙烯复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着通信技术的飞速发展，包括高性能计算、5g技术、人工智能和电动汽车在内的多个领域都需要性能卓越、集成度高的微波电子元件，以实现更微型化和功能多样化。在生产移相器、滤波器和相阵控天线等通信技术关键元件时，陶瓷/聚合物功能复合材料综合两相优势显示出巨大潜力。由陶瓷/聚合物复合材料组成的微波调制器件具有调谐响应快、体积小、加工性能好、直流驱动电压低和对环境的友好性等优点，尤其适用于高度集成电路。

2、因此，开发基于陶瓷/聚合物复合材料的微波可调谐器件是实现高频率、小型化和成本效益的必然趋势。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种高介电可调的共掺杂bst/聚偏二氟乙烯复合材料的制备方法，通过引入施主杂质la取代a位元素(ba、sr)调整电子结构、提高外电场下的极化强度，实现整体介电可调性的增强，引入受主杂质cr取代b位元素(ti)中和高温烧结产生的氧空位，降低介电损耗。

2、第一方面，本发明提供一种高介电可调的聚偏二氟乙烯复合材料，该复合材料由bstlc其组成为和含氟铁电聚合物组成；其中，所述bstlc为la和cr共掺杂ba0.675sr0.325tio3。

3、进一步的，在所述bstlc中，la掺杂摩尔量为0.3～0.5％，cr掺杂摩尔量为0.5～0.8％，所述bstlc的粒径为0.5～1.8μm。

4、进一步的，所述bstlc中在该复合材料中的添加量为10～40wt％。

5、进一步的，所述含氟铁电聚合物包括聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯、聚偏二氟乙烯-三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯-氯三氟乙烯中的一种或几种；所述含氟铁电聚合物的分子量为100000～500000。

6、进一步的，在该复合材料的厚度为4～5μm的情况下，相对介电常数范围为12～18，介电损耗为0.02～0.03，击穿强度为100～130kv/mm，介电可调率为8～12％。

7、第二方面，本发明提供如上述的高介电可调的聚偏二氟乙烯复合材料的制备方法，其特征在于，该复合材料的制备方法为刮刀涂膜法，具体包括以下步骤：s1、制备bstlc，并对bstlc进行表面改性处理，得到表面改性的bstlc；s2、分别往表面改性的bstlc和含氟铁电聚合物中加入有机溶剂，待bstlc超声充分、含氟铁电聚合物充分溶解后，再将bstlc和含氟铁电聚合物混合，磁旋搅拌得到分散良好的均相复合混合物；s3、将复合混合物用涂布刮刀涂至基板上，然后保温处理以蒸发有机溶剂，得到二相复合材料薄膜；s4、将薄膜从基板揭取，对薄膜表面进行镀金处理，得到高介电可调的聚偏二氟乙烯复合材料。

8、进一步的，所述s1具体包括以下步骤：s11、按化学计量比称取分析纯的baco3、srco3、tio2、la2o3、cr2o3，进行湿法球磨，得到混合料；s12、将所述混合料经干燥、研磨、过筛和煅烧处理，得到bstlc；s13、保温结束后随炉冷却至室温，烧结所述bstlc再次球磨以充分破碎粉体，出料、烘干、过筛，得到bstlc陶瓷颗粒；s14、将所述bstlc陶瓷颗粒超声分散在加有过氧化氢的去离子水中，得到bstlc悬浮溶液，然后将偶联剂添加至所述bstlc悬浮溶液中，经磁力搅拌、离心、洗涤、烘干、过筛，得到表面改性的bstlc。

9、进一步的，在步骤s11中，球磨介质为无水乙醇或异丙醇，球磨用的氧化锆球与混合料的质量比为(2～5)：1，球磨转速为250～350r/min，时间为10～14h；在步骤s12和s13中，烧结温度为900～1200℃，保温时间3～5小时，升温速率3～5℃/min，所述的过筛处理使用筛的目数为80～100目；在步骤s13中，对烧结后的所述bstlc再次球磨时长10～14h，最终得到粒径0.5～1.8μm的bstlc陶瓷颗粒；在步骤s14中，偶联剂是3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-乙烯氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷等硅烷偶联剂中的一种，添加量为bstlc陶瓷颗粒质量的1～8wt％。

10、进一步的，在步骤s2中，所述有机溶剂为n，n二甲基甲酰胺溶剂，所述有机溶剂的加入比例为bstlc和含氟铁电聚合物的1.5～3倍，磁旋搅拌的时长为；0～12h；在步骤s3中，涂布刮刀使用30～80μm规格；基板为玻璃基板，玻璃基板涂布前经去离子水冲洗、烘箱80～100℃保温2～4h；保温处理为烘箱中的保温4～6h，保温温度为60～80℃；二相复合薄膜材料厚度为4～8μm；在步骤s4中，镀金处理为采用20～40ma电流、100～150s时长的磁控溅射镀金处理。

11、第三方面，本发明提供如上述的高介电可调的聚偏二氟乙烯复合材料在移相器、滤波器、相阵控天线等微波通信设备领域中的应用。

12、采用本发明制得的微波介电可调、低介电常数、低介电损耗的共掺杂bst/聚偏二氟乙烯复合材料，经x射线衍射仪(xrd)、粒度分析仪、扫描电镜(sem)、阻抗分析仪、lcr计等测试设备的分析与测试，确定复合材料具有以下特点：

13、(1)相结构为呈现立方钙钛矿结构的bstlc陶瓷相和pvdf聚合物相的均匀复合结构。

14、(2)复合材料的厚度为4～5μm，表面平整光滑无裂纹，能与不同性质的基板紧密结合。

15、(3)复合材料薄膜的相对介电常数范围为12～18，介电损耗小(0.02～0.03)，击穿强度高(100～130kv/mm)，介电可调率高(8～12％)。

16、(4)工艺简单，可应用于不同性质基板，且能用于柔性电子设备。

17、综上所述，本发明提供的一种高介电可调的聚偏二氟乙烯复合材料及其制备方法和应用相对于现有技术至少具有以下有益效果：

18、1、在开发微波通信元件的进程中，本发明采用了成本效益高的聚偏二氟乙烯作为基体材料，该材料在中国的原材料市场中容易获得，且价格低廉。此外，所使用的硅烷偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷的用量极小，进一步降低了整体成本。得益于基体材料出色的介电特性，本发明推动了包括移相器、滤波器、相控阵天线等微波通信设备向成本效益高的转型；

19、2、本发明提出的介电功能复合材料配方，完全摒弃了铅、镉等有害物质，因此本发明的复合材料是一种对环境友好的选择；

20、3、本发明制得的复合材料具有优异介电特性，包括介电常数系列化、高介电可调性、低介电损耗和高介电强度；

21、4、在加工性能方面，本发明的介电功能复合材料表现出色，易于制造结构复杂的构件，尤其适用于柔性穿戴设备，拓宽了微波介电可调材料的潜在应用，并有助于降低实际应用的成本。

技术特征：

1.高介电可调的聚偏二氟乙烯复合材料，其特征在于，该复合材料由bstlc其组成为和含氟铁电聚合物组成；

2.如权利要求1所述的高介电可调的聚偏二氟乙烯复合材料，其特征在于，在所述bstlc中，la掺杂摩尔量为0.3～0.5％，cr掺杂摩尔量为0.5～0.8％，所述bstlc的粒径为0.5～1.8μm。

3.如权利要求1所述的高介电可调的聚偏二氟乙烯复合材料，其特征在于，所述bstlc中在该复合材料中的添加量为10～40wt％。

4.如权利要求1所述的高介电可调的聚偏二氟乙烯复合材料，其特征在于，所述含氟铁电聚合物包括聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯、聚偏二氟乙烯-三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯-氯三氟乙烯中的一种或几种；所述含氟铁电聚合物的分子量为100000～500000。

5.如权利要求1所述的高介电可调的聚偏二氟乙烯复合材料，其特征在于，在该复合材料的厚度为4～5μm的情况下，相对介电常数范围为12～18，介电损耗为0.02～0.03，击穿强度为100～130kv/mm，介电可调率为8～12％。

6.如权利要求1至5中任一项所述的高介电可调的聚偏二氟乙烯复合材料的制备方法，其特征在于，该复合材料的制备方法为刮刀涂膜法，具体包括以下步骤：

7.如权利要求6所述的高介电可调的聚偏二氟乙烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述s1具体包括以下步骤：

8.如权利要求7所述的高介电可调的聚偏二氟乙烯复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤s11中，球磨介质为无水乙醇或异丙醇，球磨用的氧化锆球与混合料的质量比为(2～5)：1，球磨转速为250～350r/min，时间为10～14h；

9.如权利要求6所述的高介电可调的聚偏二氟乙烯复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤s2中，所述有机溶剂为n，n二甲基甲酰胺溶剂，所述有机溶剂的加入比例为bstlc和含氟铁电聚合物的1.5～3倍，磁旋搅拌的时长为；0～12h；

10.如权利要求1至5中任一项所述的高介电可调的聚偏二氟乙烯复合材料在移相器、滤波器、相阵控天线等微波通信设备领域中的应用。

技术总结
本发明提供了一种高介电可调的聚偏二氟乙烯复合材料及其制备方法和应用。该复合材料添加了一种La和Cr共掺杂的钛酸锶钡填料粒子BSTLC，La掺杂摩尔量为0.3～0.5％，Cr掺杂摩尔量为0.5～0.8％，表面使用3‑氨丙基三甲氧基硅烷、3‑乙烯氧基丙基三甲氧基硅烷、γ‑氨丙基三乙氧基硅烷等偶联剂进行处理，实现有机‑无机相界面间相容性。所述BSTLC填料粒子粒径为0.5～1.8μm，添加量为10～40wt％，复合材料的介电常数为12～18，介电损耗为0.02～0.03，介电可调率为8～12％，击穿强度范围为100～130kV/mm。该复合材料的制备方法为刮刀涂膜法。可在通信设备中作为移相器、滤波器、相阵控天线等设备制造的关键基础材料。

技术研发人员：于淑会,赵灿,罗遂斌,阿里夫·侯赛因,李腾宇
受保护的技术使用者：中国科学院深圳先进技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2025/1/9