摘 要

本文通过氢氟酸浸取法合成纳米Ti₃C₂材料并做成复合材料薄膜，通过XRD、FTIR测试技术表征纳米Ti₃C₂材料和对复合材料薄膜进行阻抗分析和耐压测试。本文的研究成果如下：

选择氢氟酸浸取法处理Ti₃AlC₂粉末，制备Ti₃C₂。并以聚偏氟乙烯（PVDF）为基体，与Ti₃C₂共混并采用溶液流延法制备复合材料薄膜。

通过正交试验讨论了氢氟酸浸取反应条件对产品纯度的影响程度，其中氢氟酸浓度影响占主导，其次是氢氟酸用量与反应时间。采用XRD、FTIR、等技术手段研究纳米Ti₃C₂材料的组成、结构及形貌。最佳的反应条件为：30％wt氢氟酸浓度，30ml（1:15）氢氟酸用量，反应时间15h。

通过以不同质量比的Ti₃C₂和PVDF混合，采用溶液流延法制备复合材料薄膜。通过对膜进行介电性能检测和击穿电压测试，计算分析其介电常数、介电损耗和击穿电压。制备介电性能较好的复合材料薄膜的质量比为16％wt。

关键词：Ti₃C₂，PVDF，复合材料薄膜，介电性能

Abstract

In this paper, nano-Ti₃C₂ material was synthesized by hydrofluoric acid leaching method and the composite film was fabricated. The nano-Ti₃C₂ material was characterized by XRD, FTIR and SEM, and the impedance analysis and pressure test were carried out on the composite film.The results of this paper are as follows:

Select Ti₃AlC₂ powder by hydrofluoric acid leaching to prepare Ti₃C₂. Polyvinylidene Fluoride (PVDF) as the matrix, with Ti₃C₂ blends and the use of solution casting method of composite film.

The effect of hydrofluoric acid leaching reaction on the purity of the product was discussed by orthogonal test. The influence of hydrofluoric acid concentration was dominant, followed by the amount of hydrofluoric acid and the reaction time. The composition, structure and morphology of nano - Ti₃C₂ were studied by means of XRD and FTIR. The optimum reaction conditions were: 30% wt hydrofluoric acid concentration, 30 ml (1: 15) hydrofluoric acid dosage, 15 h reaction time.

The composite film was prepared by mixing the Ti₃C₂ and PVDF with different mass ratio. The dielectric constant, dielectric loss and breakdown voltage were calculated and analyzed by impedance analysis and pressure test. The mass ratio of the composite film with better dielectric properties was 16% wt.

Key words: Ti₃C₂, PVDF, composite film, dielectric properties

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 聚合物基复合介电材料 1

1.3 聚合物基复合介电材料的分类 2

1.3.1 铁电陶瓷/聚合物型 2

1.3.2 碳纳米管/聚合物型 2

1.3.3 金属导电颗粒/聚合物型 2

1.3.4 全有机高分子聚合物型 2

1.4 MXene相 3

1.5 MXene相的制备方法 3

1.6 MXene相的应用及现状 3

1.7 本课题研究目的及主要内容 4

1.7.1 本课题研究目的 4

1.7.2 本课题主要内容 4

第二章 Ti₃C₂的制备及最佳反应条件的探究 5

2.1 实验原料及所用仪器 5

2.1.1 原料规格 5

2.1.2 主要实验仪器 5

2.1.3 主要检测仪器 6

2.2 Ti3C2的制备 6

2.2.1 单因素实验设计 6

2.2.2 正交实验设计 7

2.3 性能测试 7

2.3.1 傅里叶红外光谱测试 7

2.3.2 XRD测试 9

2.4 结果与分析 11

第三章 复合材料薄膜的制备 12

3.1 实验原料及所用原料 12

3.1.1 原料规格 12

3.1.2 主要实验仪器 12

3.1.3 主要检测仪器 13

3.2 复合材料薄膜的制备 13

3.3 性能测试 14

3.3.1 阻抗分析 14

3.3.2 耐压分析 15

3.4 结果与分析 16

结论与展望 17

4.1 结论 17

4.2 展望 17

参考文献 19

致谢 20

第一章 绪论

1.1 引言

电介质是指在电场中，能在电介质材料的内部建立极化的一切物质。从广义上讲,电介质不仅仅包括绝缘体,还包括能够将光、热、力、射线、温度、化学及生物等非电能量转化为电信息的各种功能性材料,甚至还可以包括电解质和金属材料^[1]。

随着电子、电机行业的高速发展，具有介电常数高、介电损耗低、击穿场强大的高电介质材料越来越受到人们的青睐和研究。高介电材料^[2-3]是具有优良的储存电能和均匀电场的作用，在电气工程领域，高介电材料可作为电介质材料用于制作高储能密度电容器；在微电子领域，通过选用合适的聚合物基体，可以大规模地制备具有高电容的嵌入式微型电容器，微型电容器能够保证集成电路高速和安全地运行。

近年来，随着科技的高速发展，传统、单一的高介电材料已不能满足所有的应用要求，传统的高介电材料主要分为铁电陶瓷材料和聚合物材料两类。虽然陶瓷电介质具有较高的介电常数，但其一般具有成型温度高、易脆等缺点，使其在应用中受到很大限制；聚合物材料^[1]一般具高击穿场强和高能量密度的特点，同时其具有低介电损耗、优良的力学性能、良好的冲击性能、优越的加工性能以及成本低等优势,但除了少数材料外，聚合物材料的介电常数通常是比较低的。在这种情况下^[4]，复合材料得到了人们的青睐，复合材料就是将两种性质互补的材料进行复合，这种方法是开发和研究新材料的有效手段。利用无机材料和有机材料各自的优点，制备具有高介电常数的无机/有机、有机/有机复合电介质材料是人们获得新型高介电材料的重要途径。

1.2 聚合物基复合介电材料

聚合物基复合介电材料^[5]是通过使用高介电常数的聚合物作为基体进行混合得到的复合材料，通常为了准确有效地获得介电常数较高的复合材料，会选择拥有较高介电常数的聚合物基体。在高介电常数聚合物中，聚偏氟乙烯（PVDF）^[6-8]是较为常用的一种聚合物基体。PVDF是一种铁电聚合物，是由少量含氟乙烯基单体与偏氟乙烯通过共聚反应得到的共聚物，分子式为-[CH₂-CF₂]-_n，一般分子量可高达40~60万。由于PVDF多以聚集体的结晶形式存在，分子中的-CH₂-链容易发生取向，使其骨架具有大的偶极矩，因此PVDF具有较强的极性和较高的介电常数，其介电常数一般在9～11左右，是常见聚合物中较高的。介质损耗约为0.04～0.2，且储能密度高，常把PVDF用作基体制备性能优异的介电复合材料。

1.3 聚合物基复合介电材料的分类

基于前人的研究工作，聚合物基复合介电材料可以分为以下几种类型：铁电陶瓷/聚合物型、碳纳米管/聚合物型、金属导电颗粒/聚合物型、全有机高分子聚合物型等。

1.3.1 铁电陶瓷/聚合物型

铁电陶瓷/聚合物型复合材料^[9]中的铁电陶瓷以PbTiO₃、BaTiO₃、CCTO(钛酸铜钙)等材料为主，针对这类材料的研究开展得比较早，因为其具有高介电常数的特点，人们尝试将其与各种高分子聚合物基底进行复合，并对其本身结构进行掺杂改性，以获得高介电常数、低介电损耗、高介电强度的复合材料。

1.3.2 碳纳米管/聚合物型

碳纳米管/聚合物型复合材料^[10-11]具有导电能力好、比表面积高、化学性质稳定、成型容易的优点，同时其原料来源广泛、价格低廉、生产工艺成熟，是聚合物基复合介电材料中应用比较广泛的复合介电材料。但以碳纳米管作为电介质填料的复合介电材料因为其容易受温度、频率的影响，其介电常数波动一般较大。

1.3.3 金属导电颗粒/聚合物型

金属导电颗粒^[9]因其具有良好的导电、导热性能，人们对其研究也比较深入。人们发现将金属导电颗粒加入到高分子聚合物中会产生渗流效应，当超过一定的添加量时，颗粒之间会相互连通，形成一个导体，这个添加量的临界值一般称为渗流域值，一般用体积分数表示，在渗流域值附近复合材料的介电常数会发生突变。针对金属导电颗粒/高分子聚合物的研究，人们一般以Cu、Al、Ag、Ni及它们的核壳结构作为研究对象。

1.3.4 全有机高分子聚合物型

将高介电常数的有机填料均匀分散到聚合物基体中，形成全有机高分子聚合物型复合材料^[2,4],可使其保持较高柔性和优秀的加工性能，同时其具有较高的介电常数，而且该类复合材料还具有电导率可控、使用环境稳定、产量大、成本低等特点。

1.4 MXene相

图 1.1 Ti₃AlC₂通过氢氟酸侵蚀法制备Ti₃C₂的示意图

Fig.1 Schematic diagram of Ti₃AlC₂ prepared by hydrofluoric acid etching