Ένας συναρπαστικός τομέας της σύγχρονης επιστημονικής έρευνας είναι αυτός των νανοσύνθετων υλικών. Το πεδίο αυτό περιλαμβάνει τη μελέτη πολυφασικών υλικών, στα οποία μία ή περισσότερες από τις χωρικές διαστάσεις κάποιας φάσης βρίσκεται στην περιοχή νανομέτρων (10-9m). Αυτό που ξεχωρίζει τα νανοσύνθετα από τα άλλα συμβατικά σύνθετα υλικά είναι η ικανότητά τους να συνδυάζουν ιδιότητες, οι οποίες είναι απαγορευτικές για τα παραδοσιακά υλικά, αλλά και η λειτουργικότητα που παρουσιάζουν. Η εισαγωγή των νανοσύνθετων υλικών και οι πολλές επιστημονικές μελέτες που έγιναν τα τελευταία χρόνια στόχευαν και προσδοκούσαν σε μία δραματική βελτίωση των μηχανικών τους ιδιοτήτων, πράγμα που πολλές φορές δεν επαληθεύτηκε. Στις μέρες μας υπάρχει ένα αυξανόμενο ενδιαφέρον για τη μελέτη της διηλεκτρικής συμπεριφοράς και αγωγιμότητας των νανοσύνθετων πολυμερικής μήτρας με ανόργανα νάνο-εγκλείσματα.
Τα νανοσύνθετα συστήματα πολυμερικής μήτρας – ανόργανων νάνο-εγκλεισμάτων αναμένεται να αποτελέσουν μια νέα γενιά υψηλού τεχνολογικού ενδιαφέροντος υλικών που θα επιδεικνύουν λειτουργικές ιδιότητες λόγω της μεταβαλλόμενης πόλωσης των κεραμικών νανοσωματιδίων. Η διασπορά κεραμικών εγκλεισμάτων στο εσωτερικό πολυμερικής μήτρας προσδίδει στα σύνθετα συστήματα βελτιωμένη μηχανική και ηλεκτρική συμπεριφορά. Τέτοιου τύπου συστήματα υλικών, που έχουν υψηλή ηλεκτρική διαπερατότητα (high-Κ materials) χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονικές εφαρμογές, καθώς μειώνουν τα ρεύματα διαρροής και παράλληλα λειτουργούν ως ενσωματωμένοι νανο-πυκνωτές εισάγοντας ένα νέο είδος νανο-διατάξεων για την αποθήκευση ενέργειας.
Η ηλεκτρική απόκρισή τους, εκφράζεται κυρίως μέσω της ηλεκτρικής διαπερατότητας και μπορεί να ρυθμιστεί, ελέγχοντας τον τύπο, το μέγεθος και την ποσότητα της κεραμικής ενίσχυσης. Η ενσωμάτωση πιεζοηλεκτρικών κρυστάλλων, που επιδεικνύουν μεταβαλλόμενη πόλωση, σε μια πολυμερική μήτρα, όπως η εποξειδική ρητίνη –που εν γένει είναι ηλεκτρικός μονωτής- με χαμηλή ηλεκτρική διαπερατότητα και υψηλή διηλεκτρική αντοχή μπορεί να οδηγήσει στην ανάπτυξη ενός ευφυούς συστήματος.
Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η παρασκευή και ο χαρακτηρισμός σύνθετων πολυμερικών συστημάτων εποξειδικής ρητίνης – νανοσωματιδίων οξειδίου του ψευδάργυρου (ZnO) καθώς και σύνθετων υβριδικών συστημάτων εποξειδικής ρητίνης - νανοσωματιδίων οξειδίου του ψευδάργυρου (ZnO) και καρβιδίου του τιτανίου (TiC) ώστε να οδηγηθούμε σε ένα σύστημα υλικών με βέλτιστη συμπεριφορά. Τα δοκίμια που παρασκευάστηκαν χαρακτηρίστηκαν διηλεκτρικά, μορφολογικά και θερμικά.
Τα νανοσύνθετα υποβλήθηκαν σε μορφολογικό και θερμικό χαρακτηρισμό. Η μορφολογία των δειγμάτων εξετάστηκε μέσω του Ηλεκτρονικού Μικροσκοπίου Σάρωσης (SEM). Από την εξέταση προέκυψε πως η διασπορά των νανο-σωματιδίων μπορεί να χαρακτηρισθεί ως, τουλάχιστον, ικανοποιητική και σε όλα τα συστήματα συνυπάρχουν νανοδιασπορές και συσσωματώματα. Η θερμική απόκριση των συστημάτων μελετήθηκε μέσω της τεχνικής της Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης (DSC). Από τα θερμογραφήματα προσδιορίστηκε η θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης των συστημάτων.
Η διηλεκτρική φασματοσκοπία (Broadband Dielectric Spectroscopy) έχει αποδειχθεί ως ένα ισχυρό εργαλείο για την έρευνα της μοριακής κινητικότητας, των αλλαγών φάσης, των μηχανισμών αγωγιμότητας και των διεπιφανειακών φαινομένων στα πολυμερή και τα σύνθετα πολυμερικά συστήματα. Η διηλεκτρική απόκριση των νάνο-συνθέτων εξετάστηκε στο εύρος συχνοτήτων 10-1-107 Hz και στο διάστημα θερμοκρασιών από 30οC έως 160οC. Από τα πειραματικά αποτελέσματα προκύπτει πως παρατηρούνται διηλεκτρικές χαλαρώσεις που οφείλονται τόσο στην πολυμερική μήτρα, όσο και στην ενισχυτική φάση. Τρεις διακριτοί τρόποι χαλάρωσης καταγράφηκαν στα φάσματα των συστημάτων που μελετήθηκαν και αποδίδονται στη διεπιφανειακή πόλωση (Interfacial Polarization) μήτρας/εγκλεισμάτων, στην μετάβαση από την υαλώδη στην ελαστομερική φάση (α- χαλάρωση) της πολυμερικής μήτρας και στην κίνηση πλευρικών πολικών ομάδων (β- χαλάρωση) των κύριων αλυσίδων.
Τέλος, υπολογίστηκε η πυκνότητα ενέργειας όλων των συστημάτων με παραμέτρους τη συχνότητα, τη θερμοκρασία και την περιεκτικότητα σε πληρωτικό μέσο. Τα ενισχυμένα συστήματα παρουσιάζουν, εν γένει, μεγαλύτερη ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας. Η λειτουργική συμπεριφορά των νανοσύνθετων εξετάσθηκε με χρήση της Συνάρτησης Διηλεκτρικής Ενίσχυσης (DRF). / The impact of nano-materials and nano-structured materials is well known and recognized in our days. Nano-composites consists an exciting modern field of scientific research. Nano-composites are multiphase materials where at least one of the dimensions of the reinforcing phases is in nano-scale. The main difference of nano-composites in comparison with conventional composites is their ability to achieve superior performance at a very low concentration of their filler. The introduction of nanocomposite materials was followed by many scientific studies which aimed to achieve a dramatic improvement of their mechanical performance. The latter, in many cases has not been verified. Recently, there is an increasing interest in studying the dielectric behavior and conductivity of polymer matrix – inorganic nano-filler composites. Polymer matrix nano-composites are expected to be useful in replacing conventional insulating materials providing tailored performance, by simply controlling the type and the concentration of nano-inclusions.
Nanocomposite systems, which include inorganic nano-particles represent a novel class of materials which are expected to exhibit functional properties because of the varying polarization of the ceramic particles. Dispersing ceramic inclusions within a polymer matrix, results in systems with enhanced mechanical and electrical behavior. Such material systems are used in electronic applications, for the reduction of leakage currents, and as integrated nano-capacitors.
The ceramic filler could be piezoelectric crystal particles. Their varying polarization can be combined with a polymer host, like an epoxy resin – which is, in general, electrical insulator – with low dielectric permittivity and high dielectric breakdown strength. This combination could lead in the development of a smart materials’ system.
The aims of this work are the preparation and characterization of epoxy resin nanocomposites with embedded zinc oxide (ZnO) and nanoparticles and in tandem hybrid system of epoxy resin– zinc oxide (ZnO) and titanium carbide (TiC) nanoparticles. Furthermore, morphology, thermal and electrical response of the produced specimens was examined.
The morphology of the specimens was checked for voids and clusters, by means of Scanning Electron Microscopy. Ceramic particles distribution is considered as satisfactory, although clusters co-exist with nanodispersions in all the examined systems. Thermal response was examined via Differential Scanning Calorimetry (DSC), and the obtained thermographs were used for the determination of glass transition temperature.
Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS) has been proved to be a powerful tool for the investigation of molecular mobility, phase changes, conductivity mechanisms and interfacial effects in polymers and complex systems. The dielectric response of nano-composites was examined via BDS in the frequency range 10-1-107 Hz and temperature interval from 30 oC to 160 oC. Experimental results include relaxation phenomena arising from both the polymeric matrix and the filler. Three distinct relaxation modes were recorded in the spectra of all systems. They were attributed to interfacial polarization, glass to rubber transition (α-relaxation) and motion of polar side groups (β – relaxation).
Finally, the energy density for all the studied systems was calculated with parameters the frequency, temperature and filler content. Composites systems exhibit, in general, higher energy storage efficiency. The systems’ functionality was examined by employing the Dielectric Reinforcing Function (DRF).
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upatras.gr/oai:nemertes:10889/6134 |
| Date | 08 July 2013 |
| Creators | Μαθιουδάκης, Γεώργιος |
| Contributors | Ψαρράς, Γεώργιος, Mathioudakis, Georgios, Ψαρράς, Γεώργιος |
| Source Sets | University of Patras |
| Language | gr |
| Detected Language | Greek |
| Type | Thesis |
| Rights | 12 |
| Relation | Η ΒΚΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. |
Page generated in 0.1157 seconds