Σύνθετα που ενσωματώνουν σιδηροηλεκτρικά και πιεζοηλεκτρικά νανοσωματίδια, ομοιογενώς διεσπαρμένα μέσα σε μήτρα άμορφου πολυμερούς, αντιπροσωπεύουν μια νέα κατηγορία υλικών. Τα νανοδιηλεκτρικά σύνθετα ανήκουν σε ένα νέο τύπο υλικών που παρασκευάζονται για βελτιωμένες επιδόσεις, σαν διηλεκτρικά και ηλεκτρικοί μονωτές. Ορισμένα κεραμικά υλικά μπορούν να επιλεγούν και να αναμιχθούν με πολυμερή για να επιτευχθεί συνέργια μεταξύ της υψηλής διηλεκτρικής αντοχής των πολυμερών και της υψηλή διηλεκτρικής σταθεράς των κεραμικών. Τα εν λόγω συστήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πολλές εφαρμογές, όπως σε ολοκληρωμένους πυκνωτές αποσύζευξης, ακουστικούς αισθητήρες εκπομπής, επιταχυνσιόμετρα γωνιακής επιτάχυνσης και ελεγκτές ρεύματος διαρροής, καθώς και σε στρατιωτικούς εξοπλισμούς και εφαρμογές στις μεταφορές.
Έχει διαπιστωθεί πως τα νανοσύνθετα παρουσιάζουν βελτιωμένες ιδιότητες, αλλά όχι πλήρως κατανοητές, συγκριτικά με τα μικροσύνθετα. Επιπλέον, μελέτες δείχνουν ενδιαφέρουσες συμπεριφορές, όταν πρόκειται για πολύ χαμηλές περιεκτικότητες σε νανοσωματίδια.
Στην παρούσα μελέτη, νανοσύνθετα εποξειδικής ρητίνης και κεραμικών νανοσωματιδίων BaSrTiO3 (μεικτό οξείδιο τιτανικού στροντίου βαρίου, BST) (<100 nm), παρασκευάστηκαν με διαδικασία ανάμειξης σε ένα ευρύ φάσμα συγκεντρώσεων, με σκοπό να μελετηθεί η επίδραση της πολύ χαμηλής (ή πολύ υψηλής) περιεκτικότητας στα χαρακτηριστικά του συστήματος. Οι διηλεκτρικές ιδιότητες και τα φαινόμενα χαλάρωσης μελετήθηκαν με τη βοήθεια της διηλεκτρικής φασματοσκοπίας (BDS) στο εύρος θερμοκρασιών από 30 oC έως 160 oC και συχνοτήτων 10-1 Hz έως 107 Hz.
Ο μορφολογικός χαρακτηρισμός έγινε μέσω της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) και διαπιστώθηκε πως η νανοδιασπορά των εγκλεισμάτων είναι επιτυχής. Ο δομικός χαρακτηρισμός, των δοκιμίων αλλά και των σωματιδίων BaSrTiO3, έγινε μέσω περίθλασης ακτίνων-Χ (XRD) και διαπιστώθηκε πως τα φάσματα έρχονται σε συμφωνία με τη σχετική βιβλιογραφία. Από την ανάλυση των αποτελεσμάτων της διηλεκτρικής φασματοσκοπίας καταγράφονται τρεις διηλεκτρικές χαλαρώσεις, που αποδίδονται με φθίνουσα σειρά των χρόνων χαλάρωσης, στη διεπιφανειακή πόλωση, την μετάπτωση από την υαλώδη στην ελαστομερική φάση της μήτρας (α-χαλάρωση) και σε επαναδιευθετήσεις πολικών πλευρικών ομάδων της κύριας πολυμερικής αλυσίδας (β-χαλάρωση).
Η εξέταση της επίδρασης της περιεκτικότητας σε νανοεγκλέισματα, στη διηλεκτρική απόκριση των σύνθετων αποκαλύπτει μη-αναμενόμενες συμπεριφορές, σε χαμηλές (αλλά και υψηλές) περιεκτικότητες. Πιο συγκεκριμένα στις χαμηλές περιεκτικότητες εμφανίζονται φαινόμενα ακινητοποίησης των μακροαλυσίδων και επακόλουθα των διπόλων, με αποτέλεσμα τη μείωση της διαπερατότητας και την αύξηση της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσης του συστήματος. Αντίστοιχα σε υψηλές περιεκτικότητες υπάρχει εκ νέου αύξηση της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσης, λόγω περιορισμένης κινητικότητας των διπόλων. Συμπερασματικά, θεωρείται πως υπάρχουν τρεις ‘’ζώνες περιεκτικοτήτων’’ που προσδίδουν διαφορετικά χαρακτηριστικά στη διηλεκτρική συμπεριφορά του συστήματος, μέσω της ρύθμισης των αλληλεπιδράσεων ρητίνης-εγκλεισμάτων. / Ceramic–polymer composites incorporating ferroelectric and piezoelectric crystal nanoparticles, homogeneously dispersed within an amorphous polymer matrix represent a novel class of materials. Nanodielectric composites belong to a new type of engineering materials suitable for improved performance as dielectrics and electrical insulators. Certain ceramic materials can be selected to be blended with polymers providing synergy between the high breakdown strength of polymers and the high permittivity of ceramic materials. These type of material systems can be used in plenty applications such as integrated decoupling capacitors, acoustic emission sensors, angular acceleration accelerometers, smart skins and leakage current controllers, as well as in military equipment and transport applications.
It has been found that nanocomposites exhibit enhanced properties, yet not fully understandable, comparably to microcomposites. Furthermore, literature demonstrates some interesting dielectric behaviors when filler’s concentration comes to very low nanoparticle loadings.
In the present study, nanocomposites of epoxy resin and ceramic BaSrTiO3 (Barium-Strontium Titanate, BST) nanoparticles (<100 nm), were prepared with a mixing procedure in a wide range of nanofiller concentrations, aiming to investigate the impact of very low (or very high) loadings on the system’s properties. The dielectric properties and the related relaxation phenomena were studied by means of Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS) in the temperature range from 30 oC to 160 oC and frequency range from 10-1 Hz to 107 Hz.
Scanning electron microscopy (SEM) was employed in order to examine the morphology of the produced specimens. The dispersion of nanoinclusions can be considered as satisfactory. Structural characterization of the systems as well as of the BaSrTiO3 nanopowder was examined via x-ray diffraction (XRD). Obtained results are in accordance with literature. Three dielectric relaxation processes were detected form the analysis of the dielectric spectra. They are attributed, with descending order of relaxation time, to interfacial polarization, glass to rubber transition of the polymer matrix (α-relaxation), and re-arrangement of polar side groups of the main macromolecular chain (β-relaxation).
The influence of the nanoparticles content upon the dielectric response of the composites, reveal unexpected behaviours at low and high filler loading. In particular, effects of immobilization/entanglement of macromolecular chains and subsequently of dipoles, resulting to a decrease of the permittivity values and enhancement of the glass to rubber transition temperature of the systems, were ascertained. At the opposite edge, at high filler loading, an increase of glass to rubber transition temperature was also found, due to the limited mobility of the chains and dipoles. Concluding, the existence of three “zones of filler content” is assumed, providing different characteristics in the dielectric response of the systems, because of the tunable polymer-inclusion interactions.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upatras.gr/oai:nemertes:10889/8283 |
| Date | 05 February 2015 |
| Creators | Βρυώνης, Ορέστης |
| Contributors | Ψαρράς, Γεώργιος, Vryonis, Orestis, Κροντηράς, Χριστόφορος, Γεωργά, Σταυρούλα |
| Source Sets | University of Patras |
| Language | gr |
| Detected Language | Greek |
| Type | Thesis |
| Rights | 0 |
Page generated in 0.0029 seconds