CC BY
12
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПОЛЯРНЫХ ПОЛИМЕРОВ ДЛЯ
УСТРОЙСТВ РАДИОСВЯЗИ
Т.Н. Короткова, доцент, к.ф.-м. н., Воронежский институт МВД России, г. Воронеж,
М.А. Панкова, к.т.н., Воронежский институт ГПС МЧС России, г. Воронеж
В последние годы повышение эффективности радиотехнических устройств и систем, улучшение массогабаритных показателей и снижение стоимости все больше связывается с применением для создания их узлов и элементов новых материалов электронной техники. Указанные возможности появились благодаря развитию технологий получения новых материалов, в частности, наноструктурированных композиционных составов. Оказалось, что такие структуры, синтезированные на основе в том числе хорошо известных компонентов, могут обладать свойствами, перспективными для различных технических применений.
Представляют интерес составы, полученные на основе полярных диэлектриков, в частности, сегнетоэлектриков, поскольку полярные диэлектрики имеют ряд уникальных свойств: обладают пиро- и пьезо-, позисторным и электрооптическим эффектами и др. Интересной особенностью полярных материалов является выраженная зависимость диэлектрической проницаемости от параметров приложенного к ним электрического поля. Это свойство дает возможность использовать материалы в приемных и передающих антеннах систем радиосвязи, в частности, для построения микрополосковых антенных решеток.
В данной работе проводились исследования диэлектрических характеристик нанокомпозитов, полученных на основе полярных сополимеров известного полимера поливинилиденфторида (PVDF) - винилиденфторида c тетрафторэтиленом (VDF/Tе) и винилиденфторида c трифторэтиленом (VDF/Tr), изучалась возможность использования материалов для создания устройств радиосвязи.
Высокомолекулярный фторсодержащий полимер PVDF [1] включает группы CF2 - CH2 с высоким дипольным моментом. При введении в состав небольшого количества трифторэтилена или тетрафторэтилена (Te)
образуются сополимеры с уже полярной сегнетоэлектрической в - фазой, нехарактерной для самого PVDF. Изменения количество добавок ^ или Te, можно изменять свойства сополимеров. В работе исследовались нанокомпозиционные материалы на основе сополимеров VDF60/Tr40 и VDF88/Te12.
Для получения нанокомпозитов сополимеры были внедрены в матрицы пористого стекла с диаметрами пор 80 - 320 нм, полученные по технологии [2]. Для этого матрицы помещали в бюкс с растворами сополимеров в ацетоне, насыщенными при температуре « 350 ^ выдерживали 4 часа. Затем образцы
просушивали при комнатной температуре в течении суток и подвергали при температуре 423 К термическому отжигу в течение 6 часов.
Образцы в форме плоскопараллельных пластин с размерами 10*10*0,5 мм3 зажимали между двумя плоскими алюминиевыми электродами и помещали в криостат. Проводились измерения диэлектрической проницаемости в* = в' - is' с помощью измерителя импеданса Е7-20 в режиме медленного нагрева -охлаждения со скоростью 0,5 - 1 К/мин. Диапазон исследуемых частот составлял f = 25 - 106 Гц, интервал температур - от 200 до 440 К. Для сравнения свойств проводилось также изучение диэлектрических свойств объемных сополимеров VDF(5o/Tr4o и VDF88/Te12 (пленок толщиной примерно 20 мкм).
На рис. 1 показаны температурные зависимости действительной е' и мнимой е" компонент диэлектрической проницаемости VDF88/Te12 - ЗЮ2.
т,к
Рис. 1. Зависимости е' и е'' от температуры для композита VDF88/Te12 - ЗЮ2, полученные на частоте 10 кГц в ходе нагрева
Следует отметить, что е' практически не зависит от температуры в достаточно широком диапазоне температур, что важно для обеспечения температурной стабильности работы устройств на основе данного материала. Аналогичной характеристикой обладает и VDF60/Tr40 - БЮ2. Существенный рост в' обнаруживается в материалах вблизи температуры сегнетоэлектрического фазового перехода (температуры Кюри Tc): ~ 350 К для VDF60/Tr40 - БЮ2 и ~ 385 К для VDF88/Te12 - ЗЮ2 на частоте 10 кГц. Обнаружено при этом, что позиция максимума в' для VDF6o/Tr4o - ЗЮ2 слабо зависит от частоты £ а для VDF88/Tel2 -БЮ2 имеется небольшой сдвиг с ростом f максимума в' в сторону низких температур, что может несколько снизить диапазон рабочих температур.
Для всех материалов имеет место дисперсия (зависимость от частоты) действительной и мнимой компонент в. Все зависимости в''(Т) проходят через максимум (рис. 2), причем он смещается с повышением частоты измерительного поля в область более высоких температур.
0,05
4
3
0,01
160 200 240 280 320
Рис. 2. Зависимости в' (Г) для нанокомпозита (VDF88/Te12) - SiO2, полученные в ходе нагрева на частотах 1 (1), 10 (2), 100 (3) и 500 (4) кГц
В случае приложения к образцам внешнего электрического смещающего поля Е= наблюдается заметное уменьшение в': при изменении Е= от 0 до 6,5 кВ/см - примерно на 30%, в частности, для VDF88/Te12 - SiO2 при комнатной температуре значение в' уменьшается примерно с 9 до 5,8.
Таким образом, синтезированные нанокомпозиты имеют диэлектрические характеристики, позволяющие использовать их для создания перестраиваемых излучателей СВЧ диапазона. Поскольку управление величиной диэлектрической проницаемости возможно путем приложения напряжений при очень малом токе, у микрополосковых одиночных антенн и антенных решеток на основе таких материалов энергетические затраты в цепях управления будут заметно ниже, примерно на 1 - 2 порядка, и, следовательно, будут выше массогабаритные показатели по сравнению с аналогичными устройствами на ферритах.
1. Лущейкин Г.А. Полимерные пьезоэлектрики. М.: Химия, 1990. - 176 с.
2. Gutina A. Dielectric relaxation in porous glasses / A. Gutina et all. // Microporous and Mesoporous Materials. - 2003. - V. 58. - P. 237 - 254.
Список использованной литературы
