ПАРАМЕТРЫ СПЕКТРА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ РЕЛАКСАЦИИ ПОЛИВИНИЛИДЕНФТОРИДА, НАПОЛНЕННОГО НАНОПОРОШКАМИ ДИОКСИДА ТИТАНА И ЦИРКОНАТА ТИТАНАТА СВИНЦА ч2
23 августа 2010При расчете параметров соблюдалось условие сходимости экспериментальных и расчетных значений е’
и е"
при уровне доверительной вероятности 95 %.
После расчета Foi, ем, Де и д, производилась оценка энергии активации процесса поляризации i-тых релаксаторов:
|
(3) |
|
W; |
|
•К ■ |
bF0lmaj(-lnF01lmn
1/Тщах - l/Tmin
где К - постоянная Больцмана в эВ; Foimax - значение частоты релаксации i-го релаксатора при Т = 273+100 К; Foimin - значение частоты релаксации i-го релаксатора при Т = 273+20 К.
|
-Wj/2KT |
|
(5) |
После оценки Wjрассчитывалась температурная зависимость Foi:
F01=F0
где F0 - постоянное значение частоты для i-го релаксатора, не зависящее от температуры, Гц.
При изменении температуры от 25 до 100°С
е’ КПМ К5 увеличивается при любой частоте внешнего электрического поля, одна-ко при F = 10 Гц это увеличение составляет примерно 11 %, а при F = 106 Гц - 20 %. Положительный температурный коэффициент диэлектрической проницаемости свидетельствует о том, что вклад в дисперсию комплексной диэлектрической проницаемости в высокочастотном (ВЧ) диапазоне обеспечивает не только дипольно-релаксационная поляризация, связанная с наличием полярных групп С-F в полимерной матрице, но и ионно-релаксационная поляризация, характерная для наполнителя ТЮ2. По сравнению с ПВДФ малое содержание наполнителя не дает существенного приращения е’: в диапазоне от 25 до 100°С увеличение е’ составляет примерно 20 %. Однако в данном случае наблюдается снижение е"
при F = 103 Гц и Т = 100°С в 3 раза по сравнению с ПВДФ.
Это означает, что ТЮ2 имеет хорошую совместимость с ПВДФ, способствует модифицированию его структуры и, как следствие, снижению электропроводности КПМ.
В отличие от ТЮ2 ЦТС относится к классу сегнетоэлектриков, обладающих доменной поляризацией, пьезо - и пироэлектрическими свойствами.
При частоте 106 Гц и температуре 30°С е’ композиций К2…К4 увеличивается по сравнению с ПВДФ от 10 до 185 %, а е" снижается примерно на 10 %. Это свидетельствует о хорошей совместимости ПВДФ с частицами ЦТС, что обеспечивает удовлетворительную стабильность электрофизических характеристик в диапазоне частот 103 до 106 Гц.
Если учесть, что при С > 65…70 вес.% физико-механические характеристики КПМ резко ухудшаются [1], то оптимальная концентрация наполнителя ЦТС должна находиться в пределах 58-60 вес. %, при этом на частоте 106 Гц е’ существенно не изменится и должна составлять порядка 20.
Полученные результаты позволяют предположить, что наиболее интересные свойства КПМ могут быть достигнуты при сочетании наполнителей Ni и ЦТС в следующем соотношении: 0,25 вес. % Ni + (50…60) вес. % ЦТС.
Расчет параметров спектров диэлектрической релаксации при помощи суперпозиции Дебаевских функций позволяет детализировать влияние различного рода наполнителей на изменение времени релаксации отдельных видов поляризации в многокомпонентных диэлектриках [5].
Результаты расчета параметров спектров диэлектрической релаксации для исследованных нанокомпозиций приведены в таб. 2.
Зависимость е" = f(&’) рассматриваемых диэлектриков можно аппроксимировать набором двух релаксаторов с соответствующими параметрами. При этом можно выделить следующие закономерности: любой тип наполнителя (кроме
ТЮ2) приводит к смещению F01 и F02 КПМ в область более низких частот по сравнению с ПВДФ; наибольшее смещение частоты наблюдается для К2; частоте F01 первого релаксатора соответствуют меньшие значения энергии активации, при этом энергия активации этого релаксатора и его вклад в общую дисперсию зависят от типа наполнителя; наименьшее значение энергии активации соответствует композиции К2.
Таблица 2. Параметры ВЧ спектра диэлектрической релаксации для исследован-ных нанокомпозиций
|
№ композиции |
релаксатор I |
||
|
F01, Гц |
W-, |
91 |
|
|
К1 |
1,284-Ю10 |
0,431+0,002 |
0,755 |
|
К2 |
4,765-Ю7 |
0,193+0,002 |
0,786 |
|
К3 |
3,026-109 |
0,364+0,001 |
0,747 |
|
К4 |
1,061-Ю9 |
0,333+0,001 |
0,765 |
6.
|
К5 |
1,774-Ю10 |
0,422+0,003 |
0,735 |
|
№ |
релаксатор II |
||
|
F02, Гц |
W2 |
92 |
|
|
К1 |
1,412-Ю9 |
0,534+0,03 |
0,245 |
|
К2 |
1,794-107 |
0,594+0,007 |
0,214 |
|
К3 |
4,164-Ю8 |
0,577+0,01 |
0,253 |
|
К4 |
1,46-108 |
0,525+0,005 |
0,235 |
|
К5 |
4,352-Ю9 |
0,55+0,02 |
0,265 |
Таким образом, из исследованных нано-диэлектриков наиболее перспективным наполнителем для ПВДФ является TiO2, так как он способствует наилучшей стабилизации комплексной диэлектрической проницаемости, что важно при создании нанодиэлектри-ков с высокой удельной запасаемой энергией.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Гефле О.С., Лебедев С.М., Ткаченко С.Н. Поведение полимерных композиционных материалов с наполнителем из сегнетоэлек-трической керамики в электрическом поле // Известия Томского политехнического университета. – 2005, N 4. – С. 64–68.
2. Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю.В. Корицкого и др. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – Т. 1. – 368 с.
3. Chan H.L., Chen Y.W., Choy C.L. Thermal hysteresis in the permittivity and polarization of lead zirconate titanate/vinylidenfloride-trifluoroethylene 0-3 composites // IEEE Trans. Diel. Electr. Insul. – 1996, Vol. 3, №. 6. – P. 800–805.
4. Ткаченко С.Н., Храмцов С.Е. Измерение электрофизических характеристик диэлектриков методом диэлектрической спектроскопии // Современные техника и технологии: Труды 12 Междунар. научно-практ. конф. студентов и молодых ученых. – Томск, 2006. – Т. 1. – С. 62–63.
5. Гефле О.С., Лебедев С.М., Стахин Н.А. Модель для расчета спектров диэлектрической релаксации // Электричество. – 2000, № 3. – С. 55–59.