авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

Термодиэлектрические свойства композитных материалов на основе наночастиц оксидов переходных металлов в матрице полиэтилена высокого давления

-- [ Страница 2 ] --

Исследование материала нанокомпозитов методами рентгеновского фазового анализа и электронной микроскопии высокого разрешения показало, что они представляют собой структуру из наночастиц (обладающей так называемой, “peach” – структурой, когда металлическая фаза сосредотачивается внутри агрегата (частицы) и покрывается оксидной оболочкой), распределенных в объеме диэлектрической полимерной матрицы (см. рис.1).

Рисунок 1. Микрофотография образца ПЭВД – Cu/Cu2O.

Температурные зависимости диэлектрических свойств, полученные при однократном циклическом изменении температуры показывают, что массивному (толщиной более 400 мкм) образцу чистого полиэтилена высокого давления (ПЭВД) не присуще проявление температурного гистерезиса диэлектрических свойств (см. рис. 2, кривая 2). В то же время гистерезис наблюдается в случае аналогичного по размерам образца нанокомпозита (см. рис. 2, кривая 1).

Рисунок 2. Зависимость относительной величины диэлектрической проницаемости (отнесенной к величине, полученной при комнатной температуре) от обратной температуры для: 1. нанокомпозита ПЭВД – 20 масс.% ZnO+MnO и 2. Образца чистого ПЭВД.

В данной главе также приведены результаты исследования влияния материала и концентрации наночастиц на диэлектрические свойства нанокомпозита. Показано, что от рода материала стабилизируемых наночастиц зависит величина изменения электрических свойств материала композита. Обнаружено, что изменение вида материала наночастиц может приводить к изменению вида температурной зависимости диэлектрической проницаемости.

В третьей главе диссертационной работы рассматривается воздействие изменения внешних условий на температурные зависимости диэлектрических свойств металлополимерных нанокомпозитов.

Приведенный сравнительный анализ температурных зависимостей диэлектрической проницаемости и электропроводности исследуемых материалов показал, что свойственные им изменения происходят при идентичных температурах. Данный факт позволил сделать предположение, что за проявляющиеся аномалии зависимостей ответственны процессы, имеющие аналогичную причину.

В главе также рассматриваются многоцикловые (несколько последовательных циклов нагрев – охлаждение) температурные зависимости диэлектрических свойств. При изучении данных зависимостей на примере нанокомпозитов со стабилизированными наночастицами оксидов переходных металлов установлено наличие двух температурных областей, в которых они ведут себя по-разному в случае последовательного циклического изменения температуры. Показано, что при изменении температуры в интервале 20–700С (верхняя граница данного интервала колеблется в зависимости от материала и концентрации наночастиц, находясь, тем не менее, в диапазоне 60–700С) зависимость в ходе последующего цикла повторяет свой ход.

Рисунок 3. Температурная зависимость величины диэлектрической проницаемости материала ПЭВД – 25 масс. % Cu/Cu2O. Стрелками показано направление процессов нагрева и охлаждения.

В то же время дальнейший нагрев в ходе первого цикла и выход из описанного выше температурного интервала ведет к стабилизации величины диэлектрической проницаемости, которая на значительное время (измеряемое сутками) теряет чувствительность к изменению температуры.

В качестве примера проявления тепловой памяти, свойственной характеру температурной зависимости диэлектрической проницаемости исследованных материалов, можно рассмотреть представленную на рис. 3 зависимость, полученную для материала ПЭВД – 25 масс. % Cu/Cu2O. Проведенные исследования также позволили показать влияние скорости изменения температуры на величину температурных коэффициентов емкости (ТКЕ) и диэлектрической проницаемости (ТКДП) нанокомпозита.

Показано, что на стадии охлаждения материала данная величина пропорциональна скорости изменения температуры.

При этом данный процесс не удалось наблюдать на стадии нагрева. Анализ полученных температурных зависимостей величин ТКЕ (ТКДП) показал присутствие на стадии нагрева (а, в случае ряда образцов, и процесса охлаждение) двух температурных областей, характеризующихся их различными средними значениями. Показано, что поведение температурного коэффициента диэлектрической проницаемости материала при изменении температуры может интерпретироваться как результат существования фазового перехода в материале нанокомпозита в области 600С, который может быть следствием процесса стеклования материала полимерной матрицы (см. рис. 4).

 Температурная зависимость ТКЕ-2

Рисунок 4. Температурная зависимость ТКЕ для материала ПЭВД – 10 масс.% ZnO. Линиями отмечены границы интервалов стандартных отклонений значений от среднего в двух температурных областях.

Глава посвящена также результатам исследования переходных процессов для случая нанокомпозитов, основанных на различных наночастицах и построению их математической модели.

Рисунок 5. Температурная зависимость относительной величины диэлектрической проницаемости для образцов чистого ПЭВД толщиной 1- 110 мкм; 2 – 250 мкм; 3- 500 мкм и 4 - образца нанокомпозита ПЭВД – 20 масс.% CoO толщиной 110 мкм.

Показано, что в случае нанокомпозитной пленки аналогичной толщины инжекционные процессы не способны вызвать появление такого же различия между начальным и конечным значениями диэлектрической проницаемости при прохождении температурного цикла (см. рис. 5).

Установлено, что создание металлического контакта к материалу нанокомпозита (равно как и чистому материалу диэлектрической матрицы) приводит к возникновению переходного процесса, проявляющегося в постепенном увеличении емкости образца.

Проведенный анализ полученных кривых показал, что они могут быть аппроксимированы зависимостями вида:

- где B и Ai константы, i – времена релаксации переходных процессов, t – время.

В представленной главе по результатам проведенных исследований показано, что изменение величины диэлектрической проницаемости нанокомпозита при изменении концентрации стабилизируемых наночастиц оксида меди в отсутствие внешних воздействий может быть адекватно предсказано с помощью применения теории перколяции.

 Зависимость критического-4

Рисунок 6. Зависимость критического индекса диэлектрической проницаемости материалов ПЭВД - Cu/Cu2O от концентрации стабилизированных наночастиц.

На базе данной теории также оценены критические индексы диэлектрической проницаемости для случая нанокомпозитов со стабилизированными наночастицами различных материалов (см. рис. 6). Также рассмотрен вопрос об изменении критических индексов системы при изменении температуры для случаев различных концентраций стабилизированных наночастиц.

В четвертой главе диссертационной работы на базе результатов проведенных исследований производится рассмотрение механизма термостимулированного перехода металлополимерного нанокомпозита в фазу дипольного стекла или сегнетоэлектрика - релаксора.

Выявлены основные закономерности, позволяющие отнести полученные материалы к их числу после проведения нагрева. Данное рассмотрение позволяет предположить, что захват молекулами полимерной матрицы носителей заряда приводит к формированию в объеме полярных элементов, поведение которых может объяснять вид температурных зависимостей диэлектрических свойств и параметров диэлектрической релаксации, описанные в предыдущих разделах.

В главе также приводятся результаты построения качественного механизма формирования диполя на границе наночастица – полимерная матрица и приводятся условия, выполнение которых приводит к исчезновению влияния стабилизируемых в объеме матрицы наночастиц на диэлектрические свойства материала.

Приведены результаты исследования влияния изменения частоты на проявление температурного гистерезиса диэлектрических свойств. Показано, что температурным зависимостям диэлектрической проницаемости, полученным при измерении на частоте 1 кГц практически не присуще проявление температурного гистерезиса, наблюдаемого при проведении измерений на частоте 1 МГц. Показано, что различие в величинах наблюдаемого гистерезиса в данном случае может интерпретироваться как следствие разной эффективности процессов образования полярных элементов.

Также установлено, что данное явление может являться прямым подтверждением образования состояния дипольного стекла, инициируемого нагревом материала.

В пятой главе диссертационной работы приводятся результаты разработки и создания прототипа элемента распределенного емкостного температурного датчика с памятью на тепловое состояние среды на базе исследовавшихся нанокомпозитных пленок.

В главе рассматривается конструкция устройства, его возможные характеристики при использовании различных материалов и перспективы практического применения. Также в главе приведены основные характеристики созданного прототипа, оценены границы его применимости и возможности модификации для решения отдельных задач.

В заключении приведены основные выводы и результаты диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведены исследования температурных зависимостей электрической емкости и электропроводности образцов нанокомпозитов на основе матрицы ПЭВД и наночастиц оксидов меди, цинка, никеля, кобальта и марганца. Исследования проведены в температурном интервале 25-950С и скоростях изменения температуры 1 - 15 К/мин.

2. В итоге исследования температурных зависимостей диэлектрической проницаемости материала диэлектрической матрицы можно сделать вывод о том, что проявление температурного гистерезиса ему не присуще. При этом присутствие в материале матрицы наночастиц различных материалов приводит к возникновению гистерезиса диэлектрических свойств, возникающему при циклическом изменении температуры.

3. По результатам исследования температурных зависимостей диэлектрической проницаемости стало возможным выделить черты, общие для всех исследовавшихся нанокомпозитных материалов: а) Наличие значительного температурного гистерезиса свойств изучавшихся металлополимеров; б) Превышение исходного значения диэлектрической проницаемости в ходе цикла нагрев – охлаждение значением, достигнутым при его окончании; в) Сохранение достигнутого в процессе нагрева - охлаждения значения диэлектрической проницаемости в течение длительного времени (нескольких суток), т.е. существование метастабильных состояний, в которые система способна переходить в результате изменения температуры.

4. Выявлено, что изменение вида материала наночастиц приводит к изменению вида температурной зависимости диэлектрической проницаемости. Установлено, что для исследованных материалов не только величины электропроводности и диэлектрической проницаемости, но и температурный ход их зависимостей не являются постоянной характеристикой материала, как это имеет место для случая не наноструктурированных неорганических материалов, а наблюдается память предыстории измерений.

5. На основании полученных результатов, можно утверждать, что на стадии охлаждения величина температурного коэффициента диэлектрической проницаемости (емкости) зависит от скорости проведения процесса охлаждения. Полученные результаты также показывают, что при температурах порядка 60-700С материал претерпевает структурный переход, отражающийся в изменении температурных коэффициентов емкости и диэлектрической проницаемости.

6. Установлено, что образцам композитов на базе матрицы полиэтилена высокого давления со стабилизированными наночастицами оксидов переходных металлов, свойственна тепловая память процесса охлаждения в диапазоне температур 25 – 1000С, проявляющаяся в повторении характера изменения величины диэлектрической проницаемости материала при охлаждении в ходе последующего за этим нагрева.

7. Предложен механизм формирования температурного гистерезиса диэлектрической проницаемости, согласно которому нагрев материала приводит к росту энергии носителей, локализованных в объеме наночастиц (при соблюдении условия, при котором ширина запрещенной зоны материала наночастиц меньше ширины запрещенной зоны матрицы), и, при достижении определенного уровня, их переходу в свободную зону в объеме наночастиц. Подобный процесс приводит к возникновению повышенной концентрации свободных носителей в объеме наночастиц и их диффузионному переносу в окружающий объем. При этом на межфазной границе сосредоточено значительное количество ловушек, образованных связями на границе, возникшими при стабилизации наночастиц. Данные ловушки могут захватывать часть носителей, переносимых через границу в результате повышения энергии. Захваченные носители можно будет рассматривать как источники локального экранирующего поля, обеспечивающие рост величины диэлектрической проницаемости материала.

8. Показано, что реализация случая, в котором ширина запрещенной зоны материала наночастиц превышает ширину запрещенной зоны матрицы, не обеспечивает возникновения гистерезиса превышающего того, который наблюдается в результате инжекции носителей из материала контактов для образца чистого ПЭВД аналогичной толщины.

9. По результатам проведенных исследований показано, что для рассмотренных материалов характерен термостимулированный переход в состояние дипольного стекла или сегнетоэлектрика – релаксора. При этом установлено, что материал, имеющий преимущественно кристаллическую структуру полимерной матрицы и насыщенный наночастицами со средним размером менее 5 нм имеет большую вероятность для реализации случая сегнетоэлектрика – релаксора. В то же время, реализация противоположного случая приведет к увеличению вероятности реализации состояния дипольного стекла.

10. На базе исследованных материалов разработан новый емкостной температурный датчик с памятью теплового состояния среды и определены его параметры.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ушаков Н.М. Новые Композиционные наноматериалы с управляемыми свойствами для радиотехники и электроники. / Ушаков Н.М., Кособудский И.Д., Юрков Г.Ю., Губин С.П., Запсис К.В.., Кочубей В.И., Ульзутуев А.Н.. // Радиотехника – 2005. - №10. - С.105-108.

2. Ушаков Н.М. Термодиэлектрические свойства полимерных композитных наноматериалов на основе медь-оксид меди в матрице полиэтилена высокого давления. / Ушаков Н.М., Ульзутуев А.Н., Кособудский И.Д. // ЖТФ. – 2008 – Т.78 - В.12. - С. 65-69.

3. Ульзутуев А.Н. Исследование температурных зависимостей диэлектрических свойств металлополимерных композитных материалов на основе наночастиц оксида цинка, стабилизированных в матрице полиэтилена высокого давления. / Ульзутуев А.Н., Ушаков Н.М. // Письма в ЖТФ – 2008 – Т. 34 - В. 19 - С. 73-78.

4. Ульзутуев А.Н. Тепловой гистерезис диэлектрических свойств в композитах на основе наночастиц оксидов и сульфидов переходных металлов в матрице полиэтилена высокого давления. / Ульзутуев А.Н., Ушаков Н.М.. // Письма в ЖТФ – 2009 – Т.35 - В.10 - С. 80-86.

5. Ульзутуев А.Н., Вальков Д.В., Разумов К.А.. Ушаков Н.М. Гистерезисные явления и диэлектрическая релаксация в нанокристаллах оксида меди, стабилизированных в матрице полиэтилена высокого давления // Матер. 6-ой межд. научн. конф. «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии». - Кисловодск. -17-22 сент. 2006. - С. 307-308

6. Ульзутуев А.Н.. Диэлектрическая релаксация нанокомпозитных материалов на основе оксидов меди. // Матер. 1-ой конф. Молодых ученых. Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика. СФ ИРЭ РАН. - Саратов. - 2006. - С.17

7. Ульзутуев А.Н.. Вальков Д.В.. Захаров Е.В.. Ушаков Н.М. О нелинейном температурном поведении диэлектрической проницаемости полимерных нанокомпозитных материалов // Матер. XIII зимней школы-семинара по СВЧ электронике и радиофизике - 31 янв. – 5 февр. 2006 - Саратов - С. 75-76

8. Кузнецова И.Е., Ульзутуев А.Н., Зайцев Б.Д., Ушаков Н.М., Кособудский И.Д.. Акустические характеристики полимерных нанокомпозитных пленок. // Сб. трудов XVIII сессии Российского акустического общества. - 11-15 сентября 2006 - Таганрог. Том 1. Физическая акустика. М: ГЕОС. 2006. - С. 15-19.

9. Ushakov N.M., Ulzutuev A.N., Valkov D.V., Kosobudsky I.D., Yurkov G.Yu., and Gubin S.P. Temperature dependences of permittivity of polymer nanocomposite materials // Proc. of Intern. Conf. Structural chemistry of partially ordered systems, nanoparticles and nanocomposites: Topical Meeting of the European Ceramic Society - June 27-29, 2006 - Saint-Petersburg - p. 34.

10. Ушаков Н.М., Ульзутуев А.Н., Кульбацкий Д.М., Разумов К.А., Кособудский И.Д.. Диэлектрические и оптические свойства полимерных композитных материалов на основе наночастиц оксидов и сульфидов переходных металлов, стабилизированных в матрице полиэтилена низкой плотности // Матер. III-й Научно-практической конференции и выставки "НАНОТЕХНОЛОГИИ - ПРОИЗВОДСТВУ 2006" - 29 - 30 ноября 2006 – Фрязино - С. 41.

11. Ульзутуев А.Н., Кульбацкий Д.М., Ушаков Н.М., Кособудский И.Д., Юрков Г.Ю. Полимерные композиционные наноматериалы для радиотехники и оптоэлектроники // Матер. Научно-технической конф. Электроника и Вакуумная техника: приборы и устройства. Технология. Материалы. 14-15 февраля 2007 года, Саратов. Вып. 2. ФГУП «Научно-производственное предприятие «Контакт»». Изд-во СГУ. 2007. С. 133-137.

12. Ульзутуев А.Н., Температурное поведение диэлектрической поляризационной релаксации в полимерных композиционных материалах на основе наночастиц оксидов и сульфидов переходных металлов в матрице полиэтилена низкой плотности // материалы II научной конференции для молодых ученых «наноэлектрорника, нанофотоника и нелинейная физика» - 14-17 мая 2007 г. – Саратов - С. 35-37.

13. Ульзутуев. А.Н., Ушаков Н.М., Кособудский И.Д., Юрков Г.Ю. Электрофизические свойства новых полимерных композиционных наноматериалов для радиоэлектроники // Матер. IV- ой межд. научно- технической конф. Радиотехника и связь. - 27-28 июня 2007 – Саратов - С. 284-288

14. Разумов К.А.. Ульзутуев А.Н., Ушаков Н.М., Кособудский И.Д., Горюнов А.А. Синтез и исследования наноразмерных композитных материалов на основе оксидов и сульфидов d- металлов, стабилизированных в полимерной матрице Матер. VII межд. научной конф. «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» - 17-22 сентября 2007 - Кисловодск - С. 204-206.



Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.