| Περίληψη: | Τα σύνθετα υλικά αναπτύχθηκαν με σκοπό τη δημιουργία προϊόντων με εξειδικευμένο συνδυασμό ιδιοτήτων. Τα υλικά αυτά επιτρέπουν την εξοικονόμηση υλικών και χρηματικών πόρων, μέσω της αντικατάστασης μέρους των πολύτιμων φυσικών πρώτων υλών με άλλες φθηνότερες, διατηρώντας όμως στο τελικό προϊόν τις ιδιότητες των αντικατασταθέντων συστατικών. Τα σύνθετα υλικά είναι μίγματα δύο ή και περισσότερων συστατικών, τα οποία διαφέρουν στη μορφή ή και στη σύνθεση, συνήθως δεν διαλύονται το ένα στο άλλο και είναι δυνατόν να εντοπιστεί διεπιφάνεια μεταξύ των συστατικών τους. Τα σύνθετα υλικά αποτελούνται από τη μητρική και την ενισχυτική φάση. Η μήτρα περικλείει τα εγκλείσματα και αποτελεί τη φάση του συστήματος, η οποία δίνει την εξωτερική μορφή του σύνθετου υλικού. Επίσης, ενεργεί ως περιβάλλον και ως συνδετική ύλη για τα εγκλείσματα και συνήθως καθορίζει την αντοχή του σύνθετου υλικού. Τα εγκλείσματα αποτελούν τα δομικά στοιχεία του σύνθετου υλικού και καθορίζουν την εσωτερική του δομή. Για την καλύτερη δυνατή συνεργασία μήτρας-εγκλείσματος επιβάλλεται η πλήρης επαφή τους, όπως και η ανάπτυξη μεταξύ τους ενός ισχυρού δεσμού συνοχής.
Στην παρούσα εργασία ως ενισχυτική φάση χρησιμοποιήθηκε το TiO2. Η μελέτη του παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον λόγω των οπτικών και ηλεκτρονικών ιδιοτήτων του. Το TiO2 είναι ένας ημιαγωγός ευρέως χάσματος και μπορεί να κρυσταλλωθεί σε τρεις διαφορετικές δομές: ρουτίλιο, ανατάσης και βρουκίτης (rutile, anatase και brookite). Ως προπολυμερές για την παρασκευή των δοκιμίων, χρησιμοποιήθηκε η εποξειδική ρητίνη. Η συγκεκριμένη ρητίνη είναι ένα τυπικό μονωτικό πολυμερές χαμηλού ιξώδους, της οποίας η διηλεκτρική σταθερά καθώς και η αγωγιμότητα δεν διαφέρουν σημαντικά από τις αντίστοιχες τιμές για το TiO2.
Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός σύνθετων συστημάτων πολυμερικής μήτρας-κεραμικού TiO2. Παρασκευάστηκαν σύνθετα υλικά συγκέντρωσης 10 phr, 30 phr και 50 phr σε TiO2. Για τον ηλεκτρικό χαρακτηρισμό των σύνθετων αυτών, εφαρμόστηκε η τεχνική της διηλεκτρικής φασματοσκοπίας ευρέως φάσματος (BDS-Broadband Dielectric Spectroscopy). Με τη διηλεκτρική φασματοσκοπία είναι δυνατόν να μετρηθεί το πραγματικό και το φανταστικό μέρος της διηλεκτρικής σταθεράς, της εμπέδησης, της αγωγιμότητας όπως και άλλα μεγέθη, ως συνάρτηση της συχνότητας, της εφαρμοζόμενης τάσης και της θερμοκρασίας. Στην εργασία αυτή, για τη λήψη των μετρήσεων διηλεκτρικής απόκρισης, χρησιμοποιήθηκε η γέφυρα εναλλασσόμενου Alpha-N της εταιρείας Novocontrol. Ως κυψελίδα μετρήσεων χρησιμοποιήθηκε η BDS 1200 της ίδιας εταιρείας. Για κάθε εξεταζόμενο δείγμα έλαβαν χώρα ισόθερμες σαρώσεις συχνοτήτων. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στην περιοχή συχνοτήτων από 0.1Hz ως 1MHz και σε εύρος θερμοκρασιών από -1000 C ως 1500 C. Το θερμοκρασιακό βήμα μεταξύ των διαδοχικών σαρώσεων συχνοτήτων είναι 100 C. Η θερμοκρασία ελέγχεται από το σύστημα Quatro με ακρίβεια 0.10 C. Όλη η διάταξη είναι συνδεδεμένη με ηλεκτρονικό υπολογιστή για ταυτόχρονο έλεγχο και αποθήκευση των δεδομένων. Για λόγους σύγκρισης εκτός από τα σύνθετα, μετρήθηκαν και δείγματα καθαρής ρητίνης.
Τα φαινόμενα διηλεκτρικής χαλάρωσης που καταγράφονται περιλαμβάνουν συνεισφορές τόσο από την πολυμερική μήτρα όσο και από την ενισχυτική φάση. Στην περιοχή των χαμηλών θερμοκρασιών ανιχνεύονται, τόσο στα δείγματα καθαρής ρητίνης όσο και στα σύνθετα, οι διεργασίες της β- και γ-χαλάρωσης. Οι διεργασίες αυτές αποδίδονται σε περιορισμένες τοπικές κινήσεις τμημάτων της πολυμερικής αλυσίδας (γ-χαλάρωση) και σε επαναπροσανατολισμό πλευρικών τμημάτων της πολυμερικής αλυσίδας (β-χαλάρωση).
Στην περιοχή των υψηλών θερμοκρασιών καταγράφονται τρεις επιπρόσθετες διεργασίες χαλάρωσης. Στην περιοχή χαμηλών συχνοτήτων, εμφανίζεται το φαινόμενο Maxwell-Wagner-Sillars (ενδοεπιφανειακή πόλωση), το οποίο οφείλεται στη συσσώρευση φορτίων χώρου στην ενδοεπιφάνεια μήτρας-εγκλείσματος. Όπως αναμένεται η διεργασία αυτή δεν εμφανίζεται στο δείγμα καθαρής ρητίνης. Λόγω της μικρής ετερογένειας μεταξύ των δύο φάσεων το φαινόμενο είναι ασθενές και γίνεται ισχυρότερο με την αύξηση της συγκέντρωσης σε TiO2. Στην περιοχή των ενδιάμεσων συχνοτήτων εμφανίζεται, τόσο στα δείγματα καθαρής ρητίνης όσο και στα σύνθετα, η διεργασία της α-χαλάρωσης, η οποία σχετίζεται με την υαλώδη μετάβαση της πολυμερικής μήτρας. Η δυναμική της α-χαλάρωσης δεν επηρεάζεται από την αύξηση της συγκέντρωσης σε πληρωτικό μέσο. Στην περιοχή των υψηλών συχνοτήτων και μόνο στα σύνθετα εμφανίζεται η διεργασία IDE (Intermediate Dipolar Effect), η οποία αποδίδεται στην παρουσία της ενισχυτικής φάσης. Αυτή η διεργασία εμφανίζεται σαφέστερα στα σύνθετα συγκέντρωσης 30 phr και 50 phr, δηλαδή επηρεάζεται ισχυρά από τη συγκέντρωση σε TiO2.
Σε όλες τις συγκεντρώσεις οι διεργασίες MWS και IDE παρουσιάζουν εξάρτηση από τη θερμοκρασία, η οποία ακολουθεί την εξίσωση Arrhenius, ενώ η εξάρτηση της α-χαλάρωσης από τη θερμοκρασία περιγράφεται από την εξίσωση Vogel-Fulcher-Tamann (VTF). Για όλες τις διεργασίες χαλάρωσης στις υψηλές θερμοκρασίες, υπολογίζονται οι χρόνοι χαλάρωσης και οι αντίστοιχες ενέργειες ενεργοποίησης.
Η μεταβολή του πραγματικού μέρους της ηλεκτρικής αγωγιμότητας εναλλασσόμενου , στην περιοχή υψηλών θερμοκρασιών, συναρτήσει της συχνότητας εμφανίζει τρεις περιοχές. Στην περιοχή υψηλών συχνοτήτων, η μεταβολή της ηλεκτρικής αγωγιμότητας εναλλασσόμενου συναρτήσει της συχνότητας ακολουθεί τον νόμο της Παγκόσμιας Διηλεκτρικής Απόκρισης. Στην περιοχή αυτή παρατηρείται ασθενής εξάρτηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας από τη θερμοκρασία. Η μεταβολή της ηλεκτρικής αγωγιμότητας στην ενδιάμεση περιοχή συχνοτήτων, συνδέεται με την εμφάνιση των μηχανισμών MWS και α-χαλάρωση. Στην περιοχή χαμηλών συχνοτήτων, η ηλεκτρική αγωγιμότητα είναι ανεξάρτητη της συχνότητας και περιγράφει την αγωγιμότητα συνεχούς των υλικών. Η είναι η τιμή της αγωγιμότητας στα 0.1Hz. Η αγωγιμότητα συνεχούς αυξάνεται αυξανομένης της θερμοκρασίας, για όλα τα εξεταζόμενα δείγματα και ακολουθεί την εξίσωση Vogel-Fulcher-Tamann (VTF).
|
|---|
