CC BY
21
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТА ПОЛИВИНИЛОВЫЙ
СПИРТ-НИТРИТ НАТРИЯ
А.Б. Плаксицкий, А.И. Бочаров Воронежский государственный университет
В настоящее время в связи с широким применением композитных материалов на основе сегнетоэлектрических материалов все более актуальной становится задача исследования свойств данных составов и структур, позволяющая целенаправленно получать новые материалы функциональной электроники с заданными свойствами. Широко известны свойства сегнетоэлектрических материалов, внедренных в пористые матрицы, в качестве которых используются различные пористые материалы, например, нанопористый оксид алюминия [1]. Часто в качестве матрицы используются полимерные материалы, например, поливиниловый спирт (ПВС) в силу простоты приготовления матрицы и простоты получения композита [2]. Однако данные по исследованиям электрических свойств таких композитов достаточно скудные. В данной работе исследуются электрические свойства композита ПВС- №Ж)2.
Образцы композита поливиниловый спирт - нитрит натрия пред-
л
ставляли собой пленки площадью 5x5 мм , толщиной от 25 до 50 мкм с нанесенными электродами из токопроводящего клея или 1п-Са эвтектики.
Исследования температурных зависимостей емкости и тангенса угла диэлектрических потерь показали следующее: для всех исследованных образцов пленки поливинилового спирта без включений нитрита натрия наблюдается характерное для полимерных материалов поведение электрической емкости при изменении температуры (рис. 1).
Сначала происходит монотонный рост электрической емкости до температуры, соответствующей температуре стеклования, затем наблюдается плато и идет дальнейший рост электрической емкости. Наличие плато связано с тем, что при переходе через температуру стеклования происходит перераспределение кристаллических и аморфных областей, последние становятся более подвижными, что приводит к возможности переориентации дипольных групп, причем чем больше молекулярная подвижность, тем на больший угол могут поворачиваться диполи в электрическом поле. Поскольку «размораживание» молекулярной подвижности имеет ступенчатый характер, то и температурная зависимость электрической емкости и, соответственно, диэлектрической проницаемости также имеет ступенчатый характер [3].
т,°с
Рис. 1. Температурная зависимость емкости для пленки ПВС без сегнето-
электрических включений.
Иное поведение электрической емкости наблюдается при введении в матрицу поливинилового спирта сегнетоэлектрического нитрита натрия в области температур от комнатной до +100°С происходит рост емкости, затем небольшой спад и дальнейшее увеличение емкости до температур, на несколько градусов превышающих точку Кюри для объемного кристалла нитрита натрия. Первый максимум связан с температурой стеклования поливинилового спирта, когда происходит размораживание молекулярной подвижности и перестройка структуры композита под влиянием поля сег-нетоэлектрических включений. Затем, когда сам ПВС выходит на «плато», происходит закрепление молекулярных областей и наблюдается минимум электрической емкости. Дальнейшее увеличение температуры приводит к росту электрической емкости, что связано с переходом поливинилового спирта из а - фазы в р - фазу. Однако «сегнетоэлектрическая часть» композита претерпевает фазовый переход, который и приводит к спаду электрической емкости. Для всех исследованных образцов значения емкости в максимуме порядка 1 мкФ, что свидетельствует о кооперативном эффекте поведения емкости композита. На некоторых образцах данного композита наблюдается более широкий минимум в температурной зависимости емкости (рис 2). Такое поведение может быть связано с более жесткой структурой полимерной матрицы, когда существует в ней меньшее число свободных носителей заряда, что приводит к меньшей поляризуемости полимерных молекул и, соответственно, снижению емкости (диэлектрической проницаемости). Кроме того, такое поведение композита может быть связано с химическим строением полимерной матрицы, которое оказывает влияние на внутри- и межмолекулярные взаимодействия, а, следовательно, и на подвижность звеньев и время релаксации. Также на поведение композитного материала может оказывать влияние взаимодействие полимерной матрицы с ионами то есть может происходить замещение неполярных
групп ПВС на полярные группы ЫаЫ02. Разветвления, образующиеся при взаимодействии ПВС с №N02 , приводят к резкому понижению молекулярной подвижности, и, соответственно, наблюдается минимум в температурной зависимости емкости для данного композита.
350000, с, рР зооооо
250000^ 200000 150000
юоооо 50000
20 40 60 80 100120140160 180 200
2.0
1.5
1,0
0.5
1дб
/\
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
т,°с
Рис. 2. Температурная зависимость емкости и тангенса угла диэлектрических потерь для пленки ПВС с включениями сегнетоэлектрического нитрита натрия
В поведении тангенса угла диэлектрических потерь также наблюдаются аномалии. В области температур, соответствующих температуре стеклования поливинилового спирта, наблюдается минимум в зависимости Этот минимум связан с уменьшением проводимости при переходе от стеклообразной фазы в вязко-текучую. В области температур в непосредственной близости от температуры фазового перехода объёмного нитрита натрия наблюдается максимум в поведении
Исследования зависимости эффективной диэлектрической проницаемости от амплитуды напряжённости переменного электрического поля для образцов композита поливиниловый спирт-нитрит натрия показали нелинейную зависимость. Для всех образцов композита образцов ПВС-ЫаЬЮг наблюдается минимум и максимум в поведении эффективной емкости в зависимости от амплитуды внешнего переменного электрического поля.
Минимум эффективной емкости для образцов поливинилового спирта с включениями нитрита натрия можно объяснить следующим образом: при увеличении внешнего переменного поля, пока оно не сравняется с
внутреннем полем смещения, наблюдается спад эффективной емкости, как только внешнее переменное поле скомпенсирует внутреннее смещающее поле, наблюдается рост эффективной емкости. Данное поле смещения может быть вызвано влиянием, оказываемым полимерной матрицей, переориентация диполей которой затруднена из-за размеров макромолекулы. Кривые зависимостей эффективной нелинейности для образцов ПВС-NaN02 ведут себя двояко. С одной стороны, происходит нелинейное изменение эффективной емкости, связанной с поведением сегнетоэлектриче-ского наполнителя, а также с поведением макромолекул матрицы в переменном электрическом поле. Для всех образцов максимум эффективной емкости наблюдается в полях -70 В, однако могут возникать и другие максимумы, связанные с полевым отжигом макромолекул поливинилового спирта. Петли гистерезиса были ненасыщенны, так как при комнатной температуре для объемных кристаллов нитрита натрия коэрцитивное поле порядка 25 kB/см. Как показали исследования, значения коэрцитивного поля для композита ÜBC-NaNC^ достигают значений, сравнимых с литературными данными. Полученные результаты свидетельствуют о наличии сегнетоэлектричества в данных композитных материалах.
Список использованной литературы
1. Рогазинская О.В., Миловидова С.Д., Сидоркин A.C., Чернышев В.В., Бабичева Н.Г. Свойства нанопористого оксида алюминия с включениями триглицинсульфата и сегнетовой соли / О.В.Рогазинская, С.Д.Миловидова, A.C.Сидоркин, В.В.Чернышев, Н.Г.Бабичева // ФТТ-2009 - Том 51- выпуск 7. - С. 1430- 1432.
2. Sekhar К. С. , Nautiyal Arvind and Nath R. Analysis of ferroelectric switching in sodium nitrite:poly(vinyl alcohol) nanocomposite films / К. C. Sekhar, Arvind Nautiyal and R. NathApplied Physics A: Materials Science & Processing, 2009. - Volume 95. - Number 2. - Pages 415-421
3. Лущейкин Г.А. Методы исследования электрических свойств полимеров / Г.А. Лущейкин. - М.: Химия, 1988. - 160 с.
