磁场对聚乙烯/BiFeO3复合材料介电特性影响的机理研究

BiFeO3/LDPE dielectric materials are prepared low density polyethylene (LDPE) as matrix and the multiferroic materials iron bismuth (BiFeO3) as functional inorganic fillers phase. Because of the ferroelectricity and antiferromagnetism of BiFeO3 at room temperature, the ferroelectricity can be induced external magnetic field, and the electric polarization properties of dielectric can be changed. At the same time, the crystallinity, packing density of amorphous region, and fineness of grain of polymer matrix and distribution and interface of fillers and LDPE matrix will be changed under external magnetic field. The above factors have an effect on dielectric properties of nano dielectric materials. A novel LDPE with BiFeO3 nano and microparticles via a sol-gel and hydrothermal method is prepared. The project studied the effect of constant-strength magnetic field on state of aggregation matrixthe, degree of response of particles and the distribution state of particles in polymer matrix at room temperature and high temperature. We studied micro structure changes of BiFeO3/LDPE nanocomposite material affect on breakdown, aging, and conductivity dielectric properties. We will found the correlation of microstructure and macroscopic properties, providing for theoretical basic data for the future.

本项目以低密度聚乙烯（LDPE）为基体，多铁材料铁酸铋（BiFeO3）为无机填充相，制备BiFeO3/LDPE电介质材料。拟利用BiFeO3材料在室温下具有铁电性和反铁磁性，在外磁场下可诱发铁电性，改变介质的电极化的性质；同时，在外磁场作用下聚合物基体结晶度、非晶区的敛集密度、结晶的细化程度等均发生变化；BiFeO3在LDPE基体中的分布状态、界面状态等也发生改变，以此开展磁场诱导下对复合材料介电性能产生影响的研究。本项目采用溶胶-凝胶法和水热合成法分别制备纳米和微米BiFeO3颗粒进行掺杂，分别在室温和高温下施加恒温磁场，研究不同磁化条件下，基体聚集态结构、基体与填充相界面、不同粒径填充相的磁化率变化，对BiFeO3/LDPE电介质材料的击穿、老化、电导等介电特性的影响，对此新型电介质的介电特性进行初步探索研究，为其应用提供必要的基础数据。

利用聚合物聚集状态对外磁场能够做出响应的特征以及多铁材料在磁场中的特性，来研究外加磁场对LDPE/BiFeO3介电特性的影响。本课题采用柠檬酸溶胶-凝胶法和水热合成法分别制备了纳米和微米BiFeO3粉体，确定了实验最佳反应条件。根据基体与填充相各自特点，采用了溶-融共混法，分别制备了微米和纳米掺杂的LDPE/BiFeO3复合材料，并在室温和熔融温度以上对其进行磁化处理。在高温磁化下，结晶过程中大分子链有充分时间进行调整，易形成较大的球晶，可清楚地看到球晶是呈丝状的片晶集聚而成，片晶变厚，片层间距变大，球晶整体的取向度明显增强。室温及高温磁化后，LDPE/BiFeO3复合材料的剩余磁化强度MR都得到了提高，室温较高温磁化的影响更加显著。在相同磁场强度下，高温磁化样品的磁化强度最低，这可能是由于温度引起样品磁有序的变化，热扰动在一定程度上破坏了磁有序，使磁化强度降低。LDPE/BiFeO3复合材料的电击穿特性表明，复合材料的交流击穿场强最大的比LDPE基体增加了14%，磁化处理的最大增加了22%，这可能是由晶区与无定形区、纳米颗粒与基体之间的界面效应以及自由体积决定的；BiFeO3掺杂后，LDPE的介电常数有所提高，但由于极化机制的差异导致介电损耗的变化趋势各有不同。外磁场处理后复合材料的介电常数和介电损耗均略有升高；在高电场强度下，复合材料的电导电流是LDPE的1/8~1/4，磁化对电导电流的影响较小，可能是由于外磁场处理后的LDPE/BiFeO3复合材料聚集态改变和纳米颗粒对外磁场响应后分布状态的变化，以及载流子运动路径的改变。掺杂BiFeO3和磁场处理后的复合材料均能够抑制空间电荷的积累，均化局部电场，随着掺杂浓度的提高，对于空间电荷积累的抑制效果先上升后下降，在纳米掺杂1wt%作用抑制效果最好，且电场分布较为均匀。综合上述结果，本研究为外磁场对电介质材料介电性能影响进行初步探索性研究，提供了必要的基础研究数据。同时对于认识多铁性材料改善聚乙烯介电性提供了重要的启示性线索。项目资助申请专利2项，论文发表5篇，培养硕士生3名，参加国内外会议5次。项目投入经费20万元，支出17.3168万元，剩余经费2.6832万元，各项支出基本与预算相符，剩余经费计划用于本项目研究后续支出。