CC BY
10УДК 537.226
А.А. Смолин, О.В. Ефимова, Е.В. Стукова
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОМПОНЕНТОВ В СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКОМ КОМПОЗИТЕ (TGSW(KIO3)x
Исследовано влияние включений частиц иодата калия на диэлектрические свойства триглицинсульфата в сегнетоэлектрическом композите (TGS)1-x/(KIO3)x для x=0,2, 0,3, 0,4 в цикле нагрев-охлаждение. Показано, что для образцов композита (TGS)1-x/(KIO3)x температурный интервал существования сегнетофазы расширяется и не зависит от объемной доли включений. Значения диэлектрической проницаемости в образцах композита (TGS)1-x/(KIO3)x с увеличением объёмной доли включений уменьшаются.
Ключевые слова: сегнетоэлектрический композит, фазовый переход, диэлектрическая проницаемость.
INVESTIGATION OF THE EFFECT OF INTERACTION OF COMPONENTS IN THE SEGNETIC ELECTRICAL COMPOSITE (TGS);.x / (KIO3)x
We studied dielectric properties of triglycine sulfate in ferroelectric composite (TGS)1-x/(KIO3)x for x = 0,2, 0,3, 0,4 dependence on inclusions of potassium io-date particles using heating-cooling cycle. There is increase temperature range of ferroelectric phase for composite samples (TGS)1-x/(KIO3)x, without dependence on the volume fraction of inclusions. Dielectric constant for composite samples (TGS)1-x/(KIO3)x is decreased when volume of inclusions are increased.
Key words: ferroelectric composite, phase transition, dielectric constant.
Композитные материалы на основе сегнетоэлектриков обладают диэлектрическими свойствами, отличными от входящих в их состав компонент, т.е. у таких материалов могут быть качественно новые свойства. Так, в результате проведенных исследований сегнетоэлектрических композитов (TGS)1-x/(BaTiO3)x и (TGS)1-x/(PbTiO3)x авторами [1, 2] было установлено, что температура фазового перехода TGS в этих композитах выше по сравнению с чистым TGS. Причем наличие частиц титана-та бария в композите (TGS)1-x/(BaTiO3)x приводит к увеличению температурного интервала существования сегнетофазы TGS на 5°С, а наличие такого же количества титаната свинца в композите (TGS)1-x/(PbTiO3)x - на 3°С. Для этих композитов отмечается размытие максимума диэлектрической проницаемости на температурной зависимости.
Цель нашей работы - определение влияния объемной доли частиц включений иодата калия на диэлектрические свойства триглицинсульфата в сегнетоэлектрическом композите (TGS)1-x/(KIO3)x с объемной долей частиц включений x = 0,2; 0,3; 0,4.
Триглицинсульфат (NH2CH2COOH)3H2SO4, является сегнетоэлектриком. При нагревании до температуры 49°С испытывает сегнетоэлектрический фазовый переход второго рода. В сегнетофазе
26
Вестник АмГУ
Выпуск 81, 2018
имеет моноклинную систему и принадлежит к центросимметричному классу 2/т. В парафазе зеркальная плоскость исчезает, и кристалл принадлежит к полярной точечной группе 2 моноклинной системы. Полярная ось лежит вдоль моноклинной (2-го порядка) оси Ь. Структура TGS представляет собой сетку молекул глицина С^К^СООН и тетраэдров й04, связанных между собой водородными связями типа О-Н...О и К-Н...О. Величина спонтанной поляризации составляет 2,8 мкКл/см2 при 20°С [3].
Иодат калия КЮз - несобственный сегнетоэлектрик, он претерпевает пять фазовых переходов при температурах: около 212 К (из фазы I в фазу II), 345,5 К (из фазы II в фазу III), 258 К (при охлаждении) / 263 К (при нагреве) (из фазы III в фазу IV), 113 К (из фазы IV в фазу V) и при 33 К (из фазы V в фазу VI). Кроме того, наблюдается аномалия при температуре (428 ± 2) К, соответствующая изменению типа электрической проводимости и не относящаяся к какому-либо фазовому переходу [3]. Величина спонтанной поляризации в фазе I составляет 0,9 нКл/ см2 при температуре до 345 К [4].
В I фазе КЮ3 обладает ромбоэдрической структурой с симметрией Я3т и, таким образом, является сегнетоэлектриком с полярной исходной фазой. Моноклинная фаза II обладает симметрией Рт, триклинная фаза III - симметрией Р1. Низкотемпературные фазы КЮ3 также имеют триклинную структуру, а переходы Ш-^ и ^^ связаны лишь с незначительными изменениями в расположении атомов [3].
Порошки TGS и иодата калия, взятые в соответствующих объемных долях, тщательно перемешивались. Из полученной механической смеси под давлением 6000 кг/см2 прессовались образцы в виде таблеток диаметром 12 мм толщиной, 1 мм. В качестве электродов использовалась Ш^а-паста. Измерения диэлектрической проницаемости проводились в режиме нагрев - охлаждение в температурном интервале от 30 до 90°С, со скоростью 1 град/мин на частоте 1 МГц, с помощью измерителя импеданса LCRmeter НЮК! 3532-50. Температуру измеряли с помощью электронного термометра CENTER-304 с хромель-алюмелевой термопарой. Точность измерения температуры составляла 0,1°С.
На температурных зависимостях диэлектрической проницаемости в цикле нагрев - охлаждение для образцов композита (TGS)l-/(KЮз)x имеется один максимум (рис. 1). При нагреве он находится в районе 54°С, а при охлаждении смещается к 51°С. По сравнению с монокристаллом триглицинсульфа-та для композита ширина температурного интервала существования сегнетофазы увеличивается на 5°С при нагреве и на 2°С - при охлаждении и не зависит от объемной доли частиц включений, т.е. наблюдается температурный гистерезис величиной 3°С. Проведенные исследования показали, что значения диэлектрической проницаемости в сегнетофазе при нагреве выше, чем при охлаждении. С увеличением объемной доли иодата калия от 0,2 до 0,4 значения диэлектрической проницаемости уменьшаются, а также происходит размытие максимума, соответствующего фазовому переходу.
Обсудим природу наблюдаемых явлений. Энергия диполь-дипольного взаимодействия между частицами триглицинсульфата и иодата калия будет оказывать влияние на температуру фазового перехода в композите. В зависимости от расположения и ориентации дипольных моментов частиц эта энергия может иметь как положительный, так и отрицательный знак. Однако из общих физических
Рис. 1. Температурные зависимости диэлектрической проницаемости при нагреве (темные маркеры) и охлаждении (светлые маркеры) на частоте 10 кГц для образцов композита (ГС$)1-Д/(КЮ3)Х.
соображений можно заключить, что дипольные моменты в частицах TGS ориентированы так, чтобы скомпенсировать поле частиц KIO3, тогда энергия диполь-дипольного взаимодействия и устойчивость сегнетофазы возрастают. Это можно объяснить тем, что переориентация каждого диполя в триглицинсульфате затруднена, так как для этого необходимо преодолеть дополнительный потенциальный барьер, образованный дипольными моментами частиц KIO3. Можно предположить, основываясь на работе [5], что стабилизация сегнетоэлектрического состояния в композите (TGS)1-x/(KIO3)x должна зависеть от объемной доли включений, но эта зависимость отсутствует по следующим причинам. Для сегнетоэлектрических композитов главным фактором, определяющим их свойства, является диполь-дипольное взаимодействие, энергия которого зависит в большей степени от значений спонтанной поляризации и диэлектрической проницаемости частиц включений, а для иодата калия они достаточно малы.
Температурный гистерезис, наблюдаемый для исследуемых образцов, нехарактерен для чистого триглицинсульфата, обладающего сегнетоэлектрическим фазовым переходом второго рода. Это может указывать на изменение типа фазового перехода (второго рода ^ первого рода). Аналогичные данные были получены для композита (TGS)1-x/(BaTiO3)x [6], в той же работе была описана возможность смены рода перехода в рамках теории Ландау - Гинзбурга.
Зависимость значений диэлектрической проницаемости от объемной доли включений можно объяснить тем, что композит (TGS)1-x/(KIO3)x состоит из сегнетоэлектриков, имеющих различные диэлектрические свойства: значения спонтанной поляризации частиц иодата калия незначительны по сравнению с TGS, и это приводит к уменьшению значений s' с увеличением объемной доли частиц включений в композите. Подобную зависимость s'(x) наблюдали авторы работы [7] для композита (NaNO2)1-x/(LiNbO3)x, частицы включений которого обладают малыми величинами спонтанной поляризации и диэлектрической проницаемости.
Размытие максимума, соответствующего фазовому переходу, с изменением x от 0,2 до 0,4 на графиках s'(T) может быть обусловлено увеличением неоднородности поляризации композита по сравнению с чистым TGS вследствие наличия поверхностных границ, доменных границ, тепловых флуктуаций дефектов и примесей. В кристаллах, входящих в состав композита, появляется некоторое распределение локальных температур перехода, значения которых зависят от распределения неодно-родностей и дефектов по различным областям [8]. То есть фазовый переход в композите будет осуществляться постепенно в определенном температурном интервале. Следовательно, максимум, соответствующий фазовому переходу, тем сильнее будет размыт, чем больше объемная доля частиц включений в композите.
Изложенные экспериментальные данные позволяют выделить следующие основные особенности поведения композита (TGS)1-x/(KIO3)x:
1) температура фазового перехода смещается в область более высоких температур при нагреве на 5 градусов, при охлаждении на 2 градуса и не зависит от объемной доли включений;
2) с увеличением объемной доли включений с x = 0,2 до x = 0,4 происходит размытие максимума диэлектрической проницаемости, соответствующего фазовому переходу;
3) значения диэлектрической проницаемости в исследуемых образцах с увеличением объемной доли включений уменьшаются.
1.Стукова, Е.В. Диэлектрические исследования сегнетоэлектрических композитов / Е.В. Стукова, С.В. Барышников // Перспективные материалы. - 2011. - № 13. - С. 791-799.
2. Шацкая, Ю.А. Роль диполь-дипольного взаимодействия в сегнетоэлектрических композитах / Ю.А. Шацкая, Е.В. Стукова, С.В. Барышников // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2010. - № 1. -С. 36-41.
3.Смоленский, Г.А. Сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики / Г.А Смоленский., Н.Н Крайник., Р.Е Пасынков., М.С Шур - Л.: Наука, 1971. - 476 с.
28
Вестник АмГУ
Выпуск 81, 2018
3. Ivanov, N.R., Shuvalov, L.A. KIO3 - the first ferroelectric with non-reorientable and non-180° switchable components of spontaneous polarization // Physics letters. -1973. - V. 45A, № 6. - P. 437-438.
4. Stukova, E.V. Shift of Phase Transitions in a (NaNO2)1-x/(KNO2)x Ferroelectric Composite / E.V. Stukova, S.V. Baryshnikov, E.Yu. Koroleva // Russian Physics Journal. - 2015. -V. 58. - Issue 2. - P. 221-227.
5. Stukova, E.V. Stabilization of the ferroelectric phase in (KNO3)1-x /(BaTiO3)x Composites / E.V. Stukova, S.V. Baryshnikov // Inorganic materials: applied research. - 2011. - V. 2, № 5. - Р. 434-438.
6. Baryshnikov, S. Dielectric properties of the ferroelectric composite / S. Baryshnikov, E. Stukova, E. Koroleva // Composites: Part B. - 2014. - V. 66. - P. 190-193.
7. Ефимова, О.В. Диэлектрические свойства сегнетоэлектрического композита (NaNO2)1-x/(LiNbO3)x / Е.В. Стукова // Вестник Амурского гос. ун-та. - 2015. - Вып. 69. - С. 33-36.
8. Струков, Б.А. Фазовые переходы в сегнетоэлектрических кристаллах с дефектами // Соросовский образовательный журнал. - 1996. - № 12. - С. 95-101.
УДК 51-73
И.В. Верхотурова, М.С. Быковский, А.В. Аврашенко, К.К. Тяжелкова
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ И ИОНОСФЕРНЫХ ЧАСТИЦ
НА ПОЛИМЕРНЫЕ ПЛЕНКИ
В работе представлены результаты моделирования в ПО SRIM/TRIM ослабления энергии протонов и ионосферных частиц в полимерных пленках, имеющих защитное покрытие, а также результаты моделирования в ПО СOMSOL MultiPhysics изменения характеристик электрического поля в перфорированной полимерной пленке при ее электризации.
Ключевые слова: моделирование, протоны, ионосферные частицы, полимерные пленки, защитное покрытие, электризация.
MODELING OF THE EFFECT OF IONIZING AND IONOSPHERIC PARTICLE
ON POLYMER FILMS
In this paper present the modeling results in the SRIM / TRIM software of the energy loss of the proton and ionospheric particle in polymer films having a protective coating. And present the modeling results in the СOMSOL MultiPhysics software of changes in the characteristics of the electric field in a perforated polymer film during its electrification.
Key words: modeling, protons, ionospheric particle, polymer films, protective coating, electrification.
Введение
Полимеры нашли широкое применение в космической технике в качестве различных функциональных материалов космических аппаратов (КА). Как показано в работах [1 - 4], основная проблема использования данных материалов - ухудшение их эксплуатационных характеристик за счет протекающих в них разнообразных физико-химических процессов в результате воздействия обширного комплекса факторов космического пространства. К числу таких факторов относятся различные виды излучений и частицы ионосферы.
