CC BY
26
УДК 621.319.2
Р. М. Вахидов, К. О.Белянчева, А.Э.Хабутдинова, М.Ф. Галиханов
АНОМАЛЬНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ЭЛЕКТРЕТНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТИТАНАТА БАРИЯ
Ключевые слова: композиционный материал, полимерный композиционный материал, титанат бария, коронный разряд, диэлектрическая пленка, поверхностный заряд, эффект Максвелла-Вагнера.
В данной статье проведено сравнительное изучение электретных свойств композиционных материалов на основе титаната бария и выявлено наилучшее процентное содержание в электрете титаната бария и фторопласта.
Keywords: composite material, polymer composite material, barium titanate, corona discharge, dielectric film, surface charge, Maxwell-Wagner effect.
In this article was conducted the comparative study of the electret properties of composite materials based on barium titanate and was showed the best percentage in the electret barium titanate and fluoroplastic.
В настоящее время исследования в сфере создания изделий на основе композиционных электретных материалов имеют большую перспективу. Диапазон использования таких материалов простирается от бытовой техники до техники специального назначения и медицины. Электреты используют для изготовления микрофонов и телефонов с широким частотным диапазоном (10-3-3 • 104Гц), для бесконтактного измерения скорости вращения и механических вибраций, в качестве дозиметров радиации, пылеуловителей, в ксерографии и электрографии и многих других случаях.
Целью данной работы являлось создание композиционных электретных материалов на основе тита-ната бария и фторсодержащих полимеров с высокими и стабильными электрическими показателями. Одним из наиболее доступных и дешевых способов создания электретов является получение короноэлектре-тов. Короноэлектреты получают при воздействии на диэлектрик коронного разряда. В коронном разряде происходит насыщение одной поверхности диэлектрика ионами одного знака [1].
Для электризации с помощью коронного разряда пленка диэлектрика была помещена на плоский металлический электрод (рис. 1).
1 - диэлектрическая пленка, 2 - металлический электрод; 3 - игла, 4 - источник высокого напряжения
Рис. 1 - Электризация в коронном разряде
На расстоянии 10 мм от поверхности пленки был помещен заостренный электрод в виде тонкой проволоки, натянутой параллельно поверхности образца. Между электродами прикладывается разность потенциалов в 9-10 тысяч вольт.
Поляризация проводилась в положительной короне. Свободные электроны, находящиеся в газовой фазе, притягивались к игле, а свободные ионы смещались в сторону электризуемой поверхности. Предполагается, что попадая на поверхность диэлектрика, ионы разряжались, отдавая свой заряд поверхностным ловушкам, т.е. дефектам кристаллической решетки. Таким образом поверхность диэлектрика приобретала положительный поверхностный заряд.
В данной работе методом горячего прессования были изготовлены 9 электретов в виде таблеток на основе титаната бария (ВаТЮЗ) с его разным процентным содержанием [2]. Для элекризации с помощью коронного разряда образцы нагревались в термостате до температуры выше температуры Кюри для титаната бария (Т = 120 °С) Т = 140 °С и выдерживались 10 минут.
1. Политрифторхлорэтилен (Ф-3) + титанат бария. Образцы были следующих составов: 80% титаната бария + 20% политрифторхлорэтилен; 70% титаната бария + 30% политрифторхлорэтилен; 60% титаната бария + 40% политрифторхлорэтилен.
2. Сополимер трифторхлорэтилена и фтористого ви-нилидена (Ф-32л) + титаната бария.
Образцы были следующих составов: 80% титаната бария + 20% Ф-32л ; 70% титаната бария + 30% Ф-32 л; 60% титаната бария + 40% Ф-32л.
3. Эпоксидная смола (ЭС) + титаната бария. Образцы были следующих составов: 80% титаната бария + 20% ЭС; 75% титаната бария + 25% ЭС; 70% титаната бария + 30% ЭС.
С помощью диэлектрического спектрометра «ШУОСООТЯОЬ С01ЧСЕРТ-80» было получено комплексное значение диэлектрической проницаемости.
е* = е' + I • е", (1)
где е* - комплексное значение диэлектрическои проницаемости; - действительная часть; - мнимая часть;
Мнимая часть учитывает потери энергии электрического поля.
Для расчета эффективной диэлектрической проницаемости электрета использовалась формула Лих-тенеккера:
* * = У1 1 + У2 2, (2)
где - эффективная диэлектрическая проницаемость, Ф/м; у1 - объемная доля воздушного зазора между электретом и подвижным электродом,
У1 =-;
у2 - объемная доля электрета, у2 =-,
где И1 - толщина воздушного зазора между электретом и подвижным электродом, м; И2 - толщина электрета, м;
1 - диэлектрическая проницаемость воздушного зазора между электретом и подвижным электродом, Ф/м;
2 - диэлектрическая проницаемость электрета, Ф/м;
Плотность поверхностного заряда рассчитывалась по формуле :
Оэф =-, (3)
где - диэлектрическая проницаемость электрета, Ф/м; - электрическая постоянная, = 8,85'10-12 Ф/м; и - напряжение, В; ^ - толщина электрета, м.
На рис. 2,3 представлены результаты диэлектрических характеристик электретов, выдержанных под коронным разрядом.
Ф -..м -Ф-з
ВаТЮ,
Рис. 2 - График зависимости поверхностной плотности электрического заряда электрета от количественного содержания титаната бария (БаТЮ3) в нем
Рис. 3 - График зависимости диэлектрической проницаемости электрета от количественного содержания титаната бария (БаТЮ3)
Проведенные опыты показали, что наилучшими электретными свойствами обладает электрет на основе титаната бария и сополимера трифторхлорэтилена и фтористого винилидена (Ф-32л), с процентным содержанием Ф-32л равным 40%. По мере увеличения содержания Ф-32л в электрете увеличиваются диэлектрическая проницаемость и поверхностная плотность заряда.
Полученные данные являются аномальными, так как относительная диэлектрическая проницаемость титаната бария составляет е =1500 при частоте 1000 Гц, а относительная диэлектрическая проницаемость Ф-32л - е = 2,5 - 2,7[3]. Т.е. диэлектрическая проницаемость композиционного материала должна увеличиваться с увеличением содержания керамического наполнителя, что противоречит полученным результатам.
Данная аномалия может быть объяснена эффектом Максвелла-Вагнера, суть которого заключается в поляризации фаз на границах раздела[4]. Это имеет место только тогда, когда фазы отличаются по значениям диэлектрической проницаемости или проводимости или одновременно по тому и другому. Эффект хорошо проявляется на примере системы Ф-32л -титанат бария. Вследствие того, что BaTiO3 обладает существенно меньшим удельным электрическим сопротивлением (р = 6^106 Ом^м) по сравнению с Ф-32Л (р □ 1014 Ом^м) [3], существует высокая вероятность стока электрических зарядов через контактирующие частицы титаната бария. При низком содержании титаната бария, вероятность соприкосновения частиц уменьшается. Таким образом, каждую частицу керамического порошка можно считать изолированными друг от друга прослойками полимерной матрицы. В результате на контакте границы раздела полимер - титанат бария возникает двойной электрический слой, сохраняющийся длительное время, в результате высокого удельного сопротивления фторопласта.
Исследование электрофизических характеристик композиционных электретов, наполненных порошкообразным титанатом бария, выявило аномалию электрофизических характеристик поляризованных в коронном разряде образцов. Вместо увеличения диэлектрической проницаемости и удельного поверхностного заряда с увеличением содержания доли наполнителя, наблюдается обратная зависимость, что может быть объяснено эффектом Максвелла-Вагнера, в результате поверхностного заряда с увеличением содержания доли наполнителя, наблюдается обратная зависимость, что может быть объяснено эффектом Максвелла-Вагнера, в результате существенного различия удельных электрических сопротивлений и относительной диэлектрической проницаемости наполнителя и полимерной матрицы.
Литература
1. Губкин А. Н. Электреты. - М.: Наука, 1978. - 27-49 с.
2. Влияние способа внедрения нанонаполнителя на свойства полимерных композиций /Вольфсон С.И., Готлиб Е.М., Наумов С.В., Мокеев А.А., Фиговский О.Л. Вестник Казанского технологического университета. 2011. № 14. С. 186-189.
3. Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2008, т. ЬП, № 3 13 Ассортимент, свойства и применение фторполимеров Кирово-Чепецкого химического комбината З. Л. Баскин, Д. А. Шабалин, Е. С. Выражейкин, С. А. Дедов
4. Метод измерения в электрохимии. Издательство «Мир», Москва 1977.
© Р. М. Вахидов - канд. техн. наук, доцент каф. технологии твердых химических веществ КНИТУ, wachidow@mail.ru; К. О. Белянчева - магистрант той же кафедры, Ksulya852@mail.ru; А. Э. Хабутдинова - магистрант той же кафедры, albinka.2009@list.ru; М. Ф. Галиханов - док. техн. наук, проф. каф. технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, mgalikhanov@yandex.ru.
© R. М. Vahidov - candidate. tehn. Sciences, assistant professor. technology of solid chemicals KNRTU, wachidow@mail.ru; К. О. Belyancheva - Master Degree of the same department, Ksulya852@mail.ru; А. A. Habutdinova - Master Degree of the same department, albinka.2009@list.ru; М. F. Galihanov - Doctor of technical sciences, professor of technology for the processing of polymers and compositesдок, KNRTU, mgalikhanov@yandex.ru.
