ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НАНО-ДИЭЛЕКТРИКОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИВИНИЛИДЕНФТОРИДА ч2
11 сентября 2010Электрическая прочность для данных материалов определялась на переменном напряжении F = 50 Гц при плавном подъеме напряжения со скоростью 2 кВ/с. Пробой осуществлялся в ячейке, заполненной трансформаторным маслом, в системе электродов полусфера-плоскость. Радиус закругления полусферы составлял 12,5 мм. Толщина испытываемых образцов составляла 100±5 мкм, диаметр - 70 мм.
Для определения влияния добавки нано-порошка на структуру были изготовлены срезы образцов из композиций К1…К4, которые исследовались в поляризованном свете с помощью микроскопа МИМ-7 при различном увеличении.
Для ПВДФ и композиций К2..К4 характерно наличие максимума tg 5 в низкочастотном диапазоне (НЧ). С ростом температуры происходит смещение максимума в область более высоких частот (ВЧ).
На рисунке 1 представлены частотные зависимости tg 5 для ПВДФ и композиций на его основе при Т = 100°С. Как видно из рисунка 1 введение в полимерную матрицу 0,5 вес.% Ni приводит не только к смещению положения максимума tg 5 в область более НЧ, но и к изменению его величины. Для композиции К2 величина максимума tg 5 примерно на 15 % больше, чем у ПВДФ, и он соответствует частоте 0,11 Гц вместо 0,7 Гц для ПВДФ. Это может свидетельствовать об изменении степени кристалличности полимера, формы кристаллических структур и энергии их взаимодействия [5].
Повышение концентрации Ni в полимере
Рисунок 1. Зависимости tg 5 = f(F) для ПВДФ и композиций на его основе в диапазо-не частот от 10" Гц до 1 МГц при Т = 100°С.
При С = 2 вес.% Ni положение максимума смещается в область еще более ВЧ и приближается к F « 0,7 Гц, то есть к частоте релаксационного максимума tg 5 К1.
Исследование комплексного импеданса данных полимерных композиций на частоте F = 10~4 Гц осуществлялось для расчета величины удельного объемного сопротивления
pv = Za-S/A , Ом-м
где Za- экспериментальное значение активной составляющей комплексного импеданса при F = 10~4 Гц; S - площадь измерительного электрода; и Д - толщина образца.
Из результатов расчета pv для исследованных материалов можно сделать следующие выводы: в диапазоне температур от 20 до 50°С при концентрации никеля С = 0,5 вес.% удельное объемное сопротивление композиции К2 увеличивается по сравнению с ПВДФ примерно в 2,2…1,5 раза. При Т > 80°С значение pv снижается по сравнению с ПВДФ примерно в 1,3 раза. С увеличением концентрации Ni уменьшение pv по сравнению с композициями К1 и К2 начинается при Т > 60°С, а при Т = 100°С величина pv композиций КЗи К4 примерно в 1,6 и 1,9 раза меньше, чем для К1.
Значения электрической прочности ПВДФ и композиций К2..К4 представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Значения электрической прочности (£пр) исследуемых КПМ.
136
|
№ композиции |
Епрср± А£, кВ/мм |
|
К1 |
70,40±2,77 |
|
К2 |
71,06±3,01 |
|
К3 |
68,53±2,07 |
|
К4 |
67,82±2,59 |
Как видно из таблицы 4, при добавлении 0,5 вес.% Ni в ПВДФ, Eпр полученного КПМ практически не меняется по сравнению с полимерной матрицей. При дальнейшем увеличении концентрации нано-порошка Ni в полимере наблюдается тенденция к снижению Eпр КПМ.
На рис. 2 представлены фотографии срезов образцов исследуемых полимерных композиций.
Рисунок 2. Микрофотографии срезов композиций на основе ПВДФ: а) ПВДФ; б) К2; Видно, что введение Ni приводит к существенному изменению надмолекулярной структуры ПВДФ. Крупносферолитная структура ПВДФ преобразуется в мелкосферолит-ную, причем наиболее однородная структура наблюдается для композиции К2. При увеличении концентрации Ni возрастают размеры и количество агломератов, что приводит, по-видимому, к увеличению электропроводности модифицированного полимера.
В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
Исследованные КПМ обладают аномально высокими значениями мнимой и действительной части комплексной диэлектрической проницаемости при частотах F < 10 Гц, поэтому могут найти применение в устройствах, использующих пиро - и пьезоэлектрический эффект. КПМ на основе ПВДФ являются перспективными матрицами для создания материалов с высокими значениями удельной запасаемой энергии в диапазоне частот от 1 кГц до 1 МГц в температурном диапазоне от 20 до 100°С, причем оптимальная концентрация Ni должна находиться в пределах от 0,1 до 0,5 вес.%.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю.В. Корицкого и др. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – Т. 1. – 368 с.
2. Chan H.L., Chen Y.W., Choy C.L. Thermal hysteresis in the permittivity and polarization of leadzirconatetitanate/vinylidenfloride-trifluoroethylene 0-3 composites // IEEE Trans. Diel. Electr. Insul. – 1996, Vol. 3, No. 6. – P. 800–805.
3. Электрические свойства полимеров / Под ред. Б.И. Сажина. – Л.: Химия, 1986. – 224 С.
Ткаченко С.Н., Храмцов С.Е. Измерение электрофизических характеристик диэлектриков методом диэлектрической спектроскопии // Труды 12 Междун. научно-практ. конф. студентов и молодых ученых “Современные техника и технологии”, т. 1, Томск. – 2006. – С.62–63.
Соломко В.П. Наполненные кристаллизующиеся полимеры. – Киев: Наукова Думка, 1980. – 264 с.