阅读说明：本技术 一维高介电常数、低膨胀系数复合材料及制备方法 (One-dimensional high dielectric constant, low-expansion coefficient composite material and preparation method ) 是由 刘少辉 王娇 郝好山 赵利敏 于 2019-09-25 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种一维高介电常数、低膨胀系数复合材料及制备方法,采用水热法制备出铌酸钾纳米粉体,以带正电荷的铌酸钾纳米粉体和带负电荷的锂霞石纳米粉体为原材料,通过静电自组装法结合微波烧结合成出铌酸钾@锂霞石复合材料,得到高介电常数、低膨胀系数复合材料,该方法制备的复合材料可用于电容器、大功率静电储能的材料,具有简单易行、成本低、方便快速等优点,可规模化生产。(The present invention provides a kind of one-dimensional high dielectric constants, low-expansion coefficient composite material and preparation method, potassium niobate nano powder is prepared using hydro-thermal method, using positively charged potassium niobate nano powder and negatively charged eucryptite nano-powder as raw material, synthesize potassium niobate@eucryptite composite material by electrostatic self-assembled method combination microwave sintering, obtain high dielectric constant, low-expansion coefficient composite material, the composite material of this method preparation can be used for capacitor, the material of high-power electrostatic energy storage, with simple and easy, it is at low cost, the advantages that fast and easy, it is produced on a large scale.)

一维高介电常数、低膨胀系数复合材料及制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料制备技术领域，尤其涉及一种一维高介电常数、低膨胀系数复合材料及制备方法。

背景技术

基于新一代电子封装技术的发展，人们越来越迫切需求无源器件向微型化、低损耗、高稳定及片式化、集成化、生产大规模、低成本方向发展。其中容阻感无源器件的嵌入式发展逐渐成为集成电路小型化、高集成化要求下的一种发展趋势。随着电气、电子行业的快速发展，人们对电子设备不断小型化和信号稳定性提出了更高的要求。具有高介电常数（high-k）、低介电损耗的材料，能够有效提高电子元件的单位体积电容量，减小设备的体积以及增强信号的稳定性，因而在微电子、能源、电气工程、生物医学工程、航空航天等领域具有重大的应用价值。

高介电材料作为一种应用前景非常广泛的绝缘材料，有着非常好的储存电能和均匀电场的性能，尤其在高储能电容器上，目前使用最多的高介电铁电陶瓷材料，如：BaTiO₃，(Ba,Sr)TiO₃，Pb(Mg,Ng)O₃等，虽然具有较高的介电常数，但加工过程中耗能较大（高温烧结），热膨胀系数较大，难以与有机基板或印刷电路板相兼容，往复循环下产生热应力会导致器件疲劳、性能下降、临时性或永久性失效甚至断裂，使电容器与基板之间的结合不匹配而与基板脱离剥落，由热膨胀失配造成的封装可靠性问题将更为显著。

目前研制高介电常数、低热膨胀材料的技术思想通常在陶瓷材料中引入玻璃相，从而实现对材料热膨胀系数的调控。然而，陶瓷/玻璃体系材料的微观组织及理化性能对玻璃原始组分和烧成工艺较为敏感，工艺实现难度大，产品合格率较低。通过调控低热膨胀系数物相的种类和含量来调控复相材料的热膨胀系数，可使体系具有高的可设计性，性能与工艺参数调整空间也更大，因此也更具实用价值。

发明内容

本发明提出了一种一维高介电常数、低膨胀系数复合材料及制备方法，采用水热法制备出铌酸钾纳米粉体，以带正电荷的铌酸钾纳米粉体和带负电荷的锂霞石纳米粉体为原材料，通过静电自组装法结合微波烧结合成出铌酸钾@锂霞石复合材料，得到高介电常数、低膨胀系数复合材料，该方法制备的复合材料可用于电容器、大功率静电储能的材料，具有简单易行、成本低、方便快速等优点，可规模化生产。

实现本发明的技术方案是：

一维高介电常数、低膨胀系数复合材料，复合材料具有核壳结构，芯层铌酸钾，壳层为锂霞石。

所述复合材料以铌酸钾纳米粉体和锂霞石纳米粉体为原料，采用静电自组装法结合微波烧结合成铌酸钾@锂霞石纳米材料。

所述铌酸钾纳米粉体采用水热法制备，锂霞石纳米粉体采用溶胶凝胶法制备。

所述的一维高介电常数、低膨胀系数复合材料的制备方法，步骤如下：

（1）采用水热法制备铌酸钾纳米粉体，采用溶胶凝胶法制备锂霞石纳米粉体；

铌酸钾制备方法

将氢氧化钾、柠檬酸钠、醋酸铌材料等材料加入到到酒精与水的混合液中，之后加入将以上混合液加入到聚四氟乙烯内衬中，之后进行水热反应反应结束后，取出样品，随即将所得的样品采用去离子水和酒精清洗、干燥；

锂霞石制备方法

按比例混合正硅酸乙酯，乙醇，去离子水，盐酸制取硅溶胶并磁力搅拌；然后按比例混合异丙醇铝，去离子水和盐酸制取氧化铝溶胶并搅拌；将硝酸锂溶解在去离子水中制成硝酸锂溶液；把硝酸锂溶液缓慢加入到硅溶胶搅拌，然后把混合液加入到氧化铝溶胶中，搅拌得到LiAlSiO₄溶胶，干燥、研磨后，高温下烧结得到LiAlSiO₄前驱体；

粉体的尺寸限制50nm-1200nm

（2）铌酸钾、锂霞石纳米粉体预处理：配置聚乙烯醇溶液，将铌酸钾纳米粉体和锂霞石纳米粉体分别加入到聚乙烯醇溶液中搅拌，之后过滤、清洗干燥得到预处理铌酸钾纳米粉体和预处理锂霞石纳米粉体；

（3）将步骤（2）得到的预处理铌酸钾纳米粉体置于聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液中浸渍，之后过滤、清洗得到带正电荷铌酸钾溶液；

（4）将步骤（2）得到的预处理锂霞石纳米粉体置于过氧化氢酶溶液中浸渍，得到带负电荷的锂霞石溶液；

（5）将步骤（3）得到的带正电荷铌酸钾置于带负电荷的锂霞石溶液中浸渍处理20-50min，之后过滤、水洗干燥得到预浸渍粉末；

（6）将步骤（5）得到的预浸渍粉末依次置于带正电荷铌酸钾溶液和负电荷的锂霞石溶液中浸渍处理，之后过滤、水洗干燥，重复该过程3-5次；

（7）将步骤（6）最终得到粉体置于微波烧结炉烧结得到复合材料。

所述步骤（2）中聚乙烯醇溶液溶液浓度为8-15mg/mL，搅拌处理温度为20-40℃，处理时间为20-100min，干燥温度为60-100℃，干燥时间为100min-300min。

所述步骤（3）中聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液的浓度为5-10mg/mL，聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液与预处理铌酸钾纳米粉体的质量比为5：（1-2），浸渍时间为10-30min。

所述步骤（4）中过氧化氢酶溶液的浓度为5-10mg/mL，过氧化氢酶溶液与锂霞石纳米粉体的质量比为6：（1-2），浸渍时间为10-30min。

所述步骤（5）、步骤（6）中干燥温度为60-100℃，干燥时间为100min-300min，步骤（7）中烧结温度为600-800℃，烧结时间为10-30min。

所述步骤（6）中重复处理3-5次指重复以下过程：将每次浸渍干燥后得到的粉末依次置于带正电荷铌酸钾溶液和负电荷的锂霞石溶液中浸渍处理20-50min，之后过滤、水洗干燥。

本发明的有益效果是：本发明采用水热法制备出铌酸钾纳米粉体，以带正电荷的铌酸钾纳米粉体和带负电荷的锂霞石纳米粉体为原材料，通过静电自组装法结合微波烧结合成出铌酸钾@锂霞石复合材料，得到高介电常数、低膨胀系数复合材料，该方法制备的复合材料可用于电容器、大功率静电储能的材料，具有简单易行、成本低、方便快速等优点，可规模化生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1复合材料的扫描电子显微镜（SEM）图谱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种高介电常数、低膨胀系数复合材料的制备方法：

（1）采用水热法制备铌酸钾纳米粉体，采用溶胶凝胶法制备锂霞石纳米粉体；

铌酸钾制备方法

将氢氧化钾、柠檬酸钠、醋酸铌材料等材料加入到到酒精与水的混合液中，之后加入将以上混合液加入到聚四氟乙烯内衬中，之后进行水热反应反应结束后，取出样品，随即将所得的样品采用去离子水和酒精清洗、干燥；

锂霞石制备方法

按比例混合正硅酸乙酯，乙醇，去离子水，盐酸制取硅溶胶并磁力搅拌；然后按比例混合异丙醇铝，去离子水和盐酸制取氧化铝溶胶并搅拌；将硝酸锂溶解在去离子水中制成硝酸锂溶液；把硝酸锂溶液缓慢加入到硅溶胶搅拌，然后把混合液加入到氧化铝溶胶中，搅拌得到LiAlSiO₄溶胶，干燥、研磨后，高温下烧结得到LiAlSiO₄前驱体；

粉体的尺寸限制50nm-1200nm；

（2）铌酸钾、锂霞石纳米粉体预处理，配置聚乙烯醇溶液，将铌酸钾、锂霞石分别加入到聚乙烯醇溶液中并在20℃搅拌20min，之后将其过滤，采用去离子水清洗3遍，置于60℃干燥100min；

（3）配置5mg/mL聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液，将预处理后的铌酸钾置于聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液10min（聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液与铌酸钾的质量比为5：2），使铌酸钾表面带上正电荷，之后将其过滤，采用去离子水清洗3遍；

（4）将配置5mg/mL过氧化氢酶溶液，将预处理之后的锂霞石纳米粉体置于过氧化氢酶溶液10min（过氧化氢酶溶液与锂霞石纳米粉体的质量比为6：1），使锂霞石表面带上负电荷，将带有表面正电荷的铌酸钾粉体置于盛有负电荷的锂霞石的过氧化氢酶溶液20min；

重复以下过程3次：将浸渍后的混合液过滤、洗涤干燥后得到的粉体，再次置于带有表面正电荷的铌酸钾溶液中和带负电荷的锂霞石溶液中，过滤洗涤干燥；

（5）重复以上过程3次后过滤，采用去离子水清洗3遍，60℃干燥100min，之后将粉体置于微波烧结炉中，在600℃条件下烧结10min。

图1为实施例1制备的铌酸钾@锂霞石纳米粉体的TEM照片，可以看出锂霞石纳米粉体均匀的分布在铌酸钾粉体的表面，铌酸钾@锂霞石纳米粉体具有良好的核壳结构。

实施例2

一维高介电常数、低膨胀系数复合材料的制备方法：

（1）采用水热法制备铌酸钾纳米粉体，采用溶胶凝胶法制备锂霞石纳米粉体；

（2）铌酸钾、锂霞石纳米粉体预处理，配置聚乙烯醇溶液，将铌酸钾、锂霞石分别加入到聚乙烯醇溶液中并在40℃搅拌100min，之后将其过滤，采用去离子水清洗3遍，置于100℃干燥300min；

（3）配置10mg/mL聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液，将预处理后的铌酸钾置于聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液30min，（聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液与铌酸钾的质量比为5：1）使铌酸钾表面带上正电荷，之后将其过滤，采用去离子水清洗3遍；

（4）将配置10mg/mL过氧化氢酶溶液，将预处理之后的锂霞石纳米粉体置于过氧化氢酶溶液30min（过氧化氢酶溶液与锂霞石纳米粉体的质量比为6：2），使锂霞石表面带上负电荷，将带有表面正电荷的铌酸钾粉体置于盛有负电荷的锂霞石的过氧化氢酶溶液50min；

重复以下过程4次：将浸渍后的混合液过滤、洗涤干燥后得到的粉体，再次置于带有表面正电荷的铌酸钾溶液中和带负电荷的锂霞石溶液中，过滤洗涤干燥；

（5）重复以上过程4次，之后过滤，采用去离子水清洗5遍，100℃干燥300min，之后将粉体置于微波烧结炉中，在800℃条件下烧结30min。

实施例3

一维高介电常数、低膨胀系数复合材料的制备方法：

（1）采用水热法制备铌酸钾纳米粉体，采用溶胶凝胶法制备锂霞石纳米粉体；

（2）铌酸钾、锂霞石纳米粉体预处理，配置聚乙烯醇溶液，将铌酸钾、锂霞石分别加入到聚乙烯醇溶液中并在30℃搅拌60min，之后将其过滤，采用去离子水清洗3遍，置于90℃干燥190min；

（3）配置9mg/mL聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液，将预处理后的铌酸钾置于聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液13min（聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液与铌酸钾的质量比为5：2），使铌酸钾表面带上正电荷，之后将其过滤，采用去离子水清洗3遍；

（4）将配置9mg/mL过氧化氢酶溶液，将预处理之后的锂霞石纳米粉体置于过氧化氢酶溶液24min（过氧化氢酶溶液与锂霞石纳米粉体的质量比为6：1），使锂霞石表面带上负电荷，将带有表面正电荷的铌酸钾粉体置于盛有负电荷的锂霞石的过氧化氢酶溶液35min；

重复以下过程5次：将浸渍后的混合液过滤、洗涤干燥后得到的粉体，再次置于带有表面正电荷的铌酸钾溶液中和带负电荷的锂霞石溶液中，过滤洗涤干燥；

（5）重复以上过程5次，之后过滤，采用去离子水清洗3遍，90℃干燥220min，之后将粉体置于微波烧结炉中，在660℃条件下烧结23min。

实施例4

一维高介电常数、低膨胀系数复合材料的制备方法：

（1）采用水热法制备铌酸钾纳米粉体，采用溶胶凝胶法制备锂霞石纳米粉体；

（2）铌酸钾、锂霞石纳米粉体预处理，配置聚乙烯醇溶液，将铌酸钾、锂霞石分别加入到聚乙烯醇溶液中并在30℃搅拌80min，之后将其过滤，采用去离子水清洗3遍，置于80℃干燥250min；

（3）配置7mg/mL聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液，将预处理后的铌酸钾置于聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液14min（聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液与铌酸钾的质量比为5：2），使铌酸钾表面带上正电荷，之后将其过滤，采用去离子水清洗3遍；

（4）将配置8mg/mL过氧化氢酶溶液，将预处理之后的锂霞石纳米粉体置于过氧化氢酶溶液24min（过氧化氢酶溶液与锂霞石纳米粉体的质量比为6：2），使锂霞石表面带上负电荷，将带有表面正电荷的铌酸钾粉体置于盛有负电荷的锂霞石的过氧化氢酶溶液40min；

（5）重复以上过程3-5次，之后过滤，采用去离子水清洗4-5遍，80℃干燥200min，之后将粉体置于微波烧结炉中，在700℃条件下烧结12min。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。