Ανάπτυξη, χαρακτηρισμός και λειτουργική συμπεριφορά σύνθετων συστημάτων πολυμερικής μήτρας - νανοσωματιδίων οξειδίου του ψευδαργύριου (ZnO) και καρβιδίου του τιτανίου (TiC)

• Κύριος συγγραφέας: Μαθιουδάκης, Γεώργιος
• Άλλοι συγγραφείς: Ψαρράς, Γεώργιος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2013
• Θέματα: Νανοσύνθετα υλικά; Διηλεκτρικά; Nanocomposite materials; Dielectrics; 620.5

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).