В этой статье рассматриваются последние разработки и проблемы, связанные с функциональными композитами (Ba,Sr)TiO3/полимер. Микроструктура композитов титанат бария-стронция (Ba,Sr)TiO3(BST)/полимер с различными полимерными матрицами и характер границы раздела между BST и полимерной матрицей имеют решающее значение для конечных диэлектрических свойств. Обсуждается влияние концентрации, размера частиц и формы наполнителя BST на диэлектрические свойства композитов BST/полимер. Кратко описаны теоретическая модель диэлектрической проницаемости керамических/полимерных композитов и изготовление композитов BST/полимер. Подведены итоги развития диэлектрической перестраиваемости композитов BST/полимер. Предложена теоретическая модель диэлектрической перестраиваемости, основанная на результатах наших предыдущих исследований, и обсуждается влияние нескольких факторов на диэлектрическую перестраиваемость композитов, что способствует предсказанию диэлектрической перестраиваемости композитов и обеспечивает важное теоретическое и исследовательское значение для будущего.
Введение
Титанат бария-стронция Ba1-xSrxTiO3 или BaxSr1-xTiO3 (BST) представляет собой сегнетоэлектрический твердый раствор, состоящий из BaTiO3 (BT) и SrTiO3 (ST) со структурой перовскита [1–2]. Из-за его выдающихся свойств, таких как высокая диэлектрическая проницаемость, низкие диэлектрические потери, хорошо контролируемая температура Кюри путем регулировки соотношения Ba/Sr и его сильная диэлектрическая нелинейность в приложенном электрическом поле постоянного тока (DC), применение материалов BST был исследован в нескольких областях, включая микроволновые фазовращатели [3–5], запоминающие устройства [6–9], супердиэлектрический конденсатор [10–11] и другие функциональные компоненты датчиков [12–13]. БСТ имеет ряд недостатков, таких как хрупкость, высокая температура спекания, плохие условия обработки и низкая диэлектрическая прочность из-за наличия остаточных пор, что затрудняет его широкое применение. Полимеры обладают такими преимуществами, как простота изготовления, малый вес, механическая гибкость, низкие диэлектрические потери, удобство обработки и высокая диэлектрическая прочность. Однако полимеры имеют низкую диэлектрическую проницаемость по сравнению с неорганическими материалами [14], что ограничивает их применение в производстве электротехнических устройств. Таким образом, ожидается, что функциональные композиты, сочетающие преимущества керамики BST и полимера, станут желательными материалами для диэлектрических устройств [15–18]. Связность отдельных фаз влияет на свойства композита. Ньюнэм [19–20] предложил концепцию связности для описания связи между наполнителем и матрицей. В двухфазной системе каждая фаза имеет непрерывное состояние с размерностями 0, 1, 2 или 3, а связность может быть обозначена как 0–3, 2–2, в которой первая и вторая цифры соответствуют фазам наполнителя и матрицы. соответственно. Среди изученных до сих пор композитов были проведены обширные исследования простейшей связи 0–3, которая состоит из трехмерной связанной полимерной матрицы, заполненной керамическими частицами. В последние годы основное внимание уделяется композитам типа BST/полимер 0–3, включая их изготовление, микроструктуру и диэлектрические свойства. Заметные проблемы для композитов BST/полимер связаны с поверхностью раздела между фазами BST и полимера. Чрезмерно высокое содержание керамических частиц приведет к ухудшению силы сцепления двухфазной границы в композиционном материале, что приведет к микроструктуре с большим количеством дефектов. Модификация наполнителя BST обеспечивает улучшенную микроструктуру и улучшенные диэлектрические свойства. Например, наполнитель BST был модифицирован силановым связующим агентом или функционализирован специальной группой [21–23] для оптимизации микроструктуры и улучшения диэлектрических свойств. Нановолокна [22, 24–26], нанотрубки [27] и нанопроволоки [28–29] придают композитам с относительно низким содержанием BST лучшие микроструктурные и диэлектрические свойства. Среди этих композитов порошки BST с большей площадью поверхности и коэффициентом сжатия способствуют превосходным диэлектрическим свойствам. Помимо композитов типов 0–3, в этих композитах BST/полимер могут быть исследованы другие типы композитов.

В некоторых трехфазных композитах сверхвысокая диэлектрическая проницаемость композита не связана непосредственно с внутренней диэлектрической проницаемостью наполнителя и полимера. Причиной высокой диэлектрической проницаемости часто считают усиление межфазной поляризации и увеличение количества микроконденсаторов во внутренней структуре композита. Следовательно, микроструктура композита и граница раздела между двумя фазами важны и влияют на диэлектрические свойства композита. Точно так же тип, концентрация, размер, форма наполнителя BST и процесс приготовления композитного материала имеют важное влияние на диэлектрические свойства композитного материала. Все факторы взаимосвязаны и должны систематически учитываться при исследовании BST/полимерных материалов. Материалы BST обладают еще одним важным свойством, а именно диэлектрической перестраиваемостью. Диэлектрическая перестраиваемость керамики на основе BST широко изучалась [30–40]. Эта керамика имеет высокую диэлектрическую перестраиваемость, что означает процентное изменение диэлектрической проницаемости при смещении постоянного тока. Для применения в микроволновых перестраиваемых устройствах более низкая диэлектрическая проницаемость и более высокая диэлектрическая перестраиваемость наиболее подходят для согласования импеданса [41–42]. Тем не менее реальные характеристики не обеспечивают диэлектрикам высокой перестраиваемости, а обычно соответствуют высокой диэлектрической проницаемости. Композиты BST/полимер были оптимизированы для устройств с микроволновой настройкой из-за их подходящих характеристик: (1) умеренная диэлектрическая проницаемость, (2) низкие диэлектрические потери и (3) высокая диэлектрическая перестраиваемость. Таким образом, стоит исследовать диэлектрическую перестраиваемость композитов BST/полимер. Этот документ направлен на обзор прогресса в области BST/полимерных композитов от однофазных материалов на основе BST до готовых композитов, а также на обеспечение всестороннего и систематического анализа BST/полимерных композитов и их потенциальных применений. Документ состоит из семи разделов, включая обзор керамики на основе BST, влияние микроструктуры BST/полимерного композита и теоретические модели диэлектрической проницаемости керамического/полимерного композита, подход к изготовлению композитов BST/полимер, влияние наполнителей BST. о диэлектрических свойствах BST/полимерных композитов, развитии диэлектрической настраиваемости BST/полимерного композита, потенциальном применении BST/полимерных композитов в различных областях, а также замечаниях и перспективах на будущее.
…………
Заключительные замечания и перспективы на будущее
В этой статье рассматриваются основы материалов BST, процесс, накопление энергии и диэлектрические свойства, а также основное внимание уделяется диэлектрической перестраиваемости композитов BST/полимер. Заключительные замечания заключаются в следующем.
Материалы BST представляют собой сегнетоэлектрический твердорастворный материал. Керамика BST обладает превосходными диэлектрическими свойствами: высокой диэлектрической проницаемостью, температурой Кюри Tc, зависящей от состава Ba/Sr, и высокой возможностью настройки диэлектрических свойств. Однако они имеют и недостатки, такие как плохая гибкость, высокие диэлектрические потери на СВЧ-частоте и малая плотность накопления энергии, что не удовлетворяет их применению в электрических устройствах.
Композиты BST/полимер обладают многими полезными свойствами, и свойства зависят от микроструктуры и поверхности раздела между наполнителями BST и полимерами. Лучшая совместимость наполнителя с полимером повышает стабильность микроструктуры композита. Различные методы, такие как модификация наполнителя, функционализация наполнителя и горячая обработка, использовались для улучшения микроструктуры композита и интерфейса. Соответствующая модификация поверхности неорганических наполнителей важна для обеспечения межфазного взаимодействия между наполнителями и полимерной матрицей и дисперсии наполнителя в полимерах. Модификация поверхности может также свести к минимуму количество дефектов или пустот в композите с помощью специального процесса, такого как горячее прессование.
Размер, форма и концентрация наполнителей BST оказывают существенное влияние на диэлектрические свойства. Диэлектрические свойства обычно улучшаются с увеличением содержания наполнителя BST. Однако высокое содержание BST может генерировать больше дефектов в композитах, и, таким образом, их диэлектрические свойства ухудшаются при высокой загрузке керамических частиц. Диэлектрические свойства BST/полимера могут быть значительно улучшены за счет введения наполнителей BST с большой удельной поверхностью, таких как нановолокна и нанотрубки. Диэлектрические свойства чувствительны к концентрации одномерных наноразмерных частиц. Выдающиеся диэлектрические свойства этих нанокомпозитов BST/полимер могут быть получены при низкой концентрации наполнителя из-за существования перколяционной структуры. Трехфазные композиты, состоящие из проводящих наполнителей, керамических частиц BST и полимера, могут быть хорошими кандидатами для приобретения хороших диэлектрических свойств из-за образования микроконденсатора во внутренней структуре.
Для описания свойств композитов с полимерной матрицей было представлено множество теоретических моделей. Помимо модифицированных моделей Максвелла-Гарнетта и Ямады, несколько моделей учитывают фактор формы. Другие модели предполагают сферическую форму частиц. Диэлектрическую проницаемость композитов BST/полимер можно предсказать, используя модель Ямады и регулируя коэффициент формы керамического наполнителя.
Исследование диэлектрической перестраиваемости композитов сосредоточено в основном на композитах на основе BST/PVDF типа 0–3. Концентрация и форма наполнителя BST влияют на диэлектрическую перестраиваемость. Диэлектрическая перестраиваемая теоретическая модель для композитов типа 0–3 была предложена после введения модели Ямады в модифицированную девонширскую феноменологическую теорию. Пять влияющих факторов, а именно nc, βr/βc, a, δc и n, существенно влияют на диэлектрическую перестраиваемость композита. Предлагаемая теоретическая модель предоставляет важную информацию о диэлектрической перестраиваемости вместо применения экспериментальной стратегии проб и ошибок к диэлектрическим функциональным керамическим/полимерным композитам, что является важным улучшением для будущего развития приложений перестраиваемых микроволновых диэлектрических устройств.
Исходя из вышеизложенного, будущие перспективы выглядят следующим образом:
1) Поверхность раздела керамическая/полимерная матрица оказывает значительное влияние на диэлектрические свойства функциональных диэлектрических композитов. Особое внимание следует уделить интерфейсу BST/полимерный композит.
2) Преимущества, такие как высокая диэлектрическая прочность на пробой, быстрая зарядка/разрядка, простота обработки и экономичность, делают композиты BST/полимер пригодными для использования в качестве конденсаторов по сравнению с другими устройствами накопления электроэнергии. Однако их плотность энергии ниже, чем у электрохимических устройств, таких как батареи и двухслойные суперконденсаторы. Таким образом, стоит разработать композиты BST/полимер с высокой плотностью накопления энергии. Ключевым вопросом является высокая диэлектрическая прочность на пробой. 3) Изготовление композитов BST/полимер с различной связностью, такой как 1-2, 1-3 и 2-3, может быть интересным для разных структур. Следует отметить структурный дизайн BST/полимерных композитов и изготовление сэндвич-, градиентных и других многослойных структур.
4) Диэлектрическая перестраиваемость не может найти практического применения и нуждается в дальнейшем улучшении. Также необходимо исследовать диэлектрическую перестраиваемость керамических/полимерных композитов, особенно с различными размерами и формами наполнителя BST.
5) Многие исследования были проведены в обычном диапазоне частот. Следует рассмотреть диэлектрические свойства и диэлектрическую перестраиваемость BST/полимера в субтерагерцовом или даже терагерцовом диапазоне, а также их применение на высоких частотах. 6) Стоит обратить внимание на применение BST/полимерных композитов в умных гибких носимых электронных устройствах, аэрокосмической и биомедицинской областях.