Διηλεκτρικές ιδιότητες (νανο)σύνθετων υλικών
Authors: Παπαλάμπρης Γεώργιος 
Published: December 2023

H εργασία αυτή πραγματεύεται την μελέτη σύνθετων υλικών βασισμένα σε εποξειδική ρητίνη του εμπορίου (Epoxol 2874), στην οποία ενσωματώθηκαν σε δύο ξεχωριστά πειράματα τα εξής πρόσθετα υλικά: α) κόκκοι Al2O3 σε μικροκλίμακα της εταιρείας Merck και β) εργαστηριακά παραχθείσες ράβδοι ZnO σε (νανο)-κλίμακα (μικτό περιεχόμενο ράβδων σε μικρο- και νανο-κλίμακα). Κοινό παρονομαστή της όλης μελέτης αποτέλεσε ο διηλεκτρικός χαρακτηρισμός, ενώ διαφορετική προσέγγιση ακολουθήθηκε όσον αφορά στην πραγματοποίηση μετρήσεων και χαρακτηρισμών για την εξαγωγή συμπερασμάτων για τα υλικά αυτά. Τα σύνθετα υλικά με κόκκους Al2O3 κατασκευάστηκαν εργαστηριακά και μελετήθηκαν εν μέσω διηλεκτρικής φασματοσκοπίας για συχνότητες 100 Hz - 1 MHz με γνώμονα τρεις παραμέτρους σχετικά με το πρόσθετο: α) την διασπορά του, β) την μορφολογία του (γ- και δ-αλούμινα) και γ) τα ποσοστά ενίσχυσης (1, 5 wt%). Η μελέτη της μορφολογίας δ-αλούμινας επιδιώχθηκε λόγω των περιορισμένων διαθέσιμων στοιχείων για την μεταβατική αυτή μορφή της αλούμινας στην βιβλιογραφία.Τα σύνθετα υλικά με ράβδους ZnO κατασκευάστηκαν εξ’ ολοκλήρου εργαστηριακά και μελετήθηκαν σε μεταβαλλόμενες συνθήκες εν μέσω διηλεκτρικής φασματοσκοπίας για συχνότητες 10 MHz - 1 GHz, φασματοσκοπιών UV-VIS για μήκη κύματος 300 - 850 nm, φασματοσκοπίας FTIR για εύρος κυματαριθμών 4000 - 400 cm-1, χρωματομετρίας στον χρωματικό χώρο CIELAB, καθώς και μετρήσεων στιλπνότητας και γωνίας επαφής, με γνώμονα την μεταβολή των εξής παραμέτρων: α) χημική σύσταση υλικού, με σταδιακή έκθεση για χρονικά διαστήματα 576 ωρών σε περιβάλλον επιταχυνόμενης γήρανσης συνολικής διάρκειας 2880 ωρών, β) κατά βάρος ποσοστό πρόσθετου ZnO, με κατασκευή τριών διαφορετικών ομάδων δοκιμίων ενισχυμένα με ποσοστά 0.1, 0.5 και 2 wt% και γ) επίπεδα προσροφημένης υγρασίας, με τον καθορισμό δύο διαφορετικών καταστάσεων προσροφημένης υγρασίας εντός της πολυμερικής μήτρας (κατάσταση χαμηλής και υψηλής προσροφημένης υγρασίας). Στην υπάρχουσα βιβλιογραφία η διερεύνηση της διηλεκτρικής συμπεριφοράς σύνθετων υλικών εποξειδικής ρητίνης ενισχυμένης με οξείδιο του ψευδαργύρου για εύρος συχνοτήτων 10 MHz - 1 GHz μέχρι και σήμερα είναι περιορισμένη, πιθανότατα λόγω των δυσκολιών που υπάρχουν στην ανάδειξη των φαινομένων που την καθορίζουν. Περαιτέρω, η διερεύνηση των διηλεκτρικών ιδιοτήτων στο ίδιο πεδίο συχνοτήτων κατά την σταδιακή φωτοαποικοδόμηση λόγω γήρανσης (φυσικής ή τεχνητής) δεν ήταν διαθέσιμη και επομένως η παρούσα εργασία συνιστά καινοτόμα προσθήκη στην υπάρχουσα βιβλιογραφία, θέτοντας τις βάσεις για την ανάπτυξη ανθεκτικότερων και κατ’ επέκταση αποδοτικότερων διηλεκτρικών υλικών για τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές. Εν κατακλείδι, οι διηλεκτρικές ιδιότητες διαμορφώθηκαν με ποικίλους τρόπους για όλα τα υπό εξέταση υλικά, καθιστώντας δυνατή την πρόκριση μεμονωμένων συνθέσεων. Ειδικότερα, σχετικά με τα σύνθετα υλικά εποξειδικής ρητίνης ενισχυμένης με τις δύο μορφολογίες κόκκων Al2O3 σε μικροκλίμακα προκρίνονται αυτά που περιέχουν πορώδη αλούμινα σε ποσοστό ενίσχυσης 5 wt%, ενώ σχετικά με τα σύνθετα υλικά εποξειδικής ρητίνης με (νανο)ράβδους ZnO προκρίνονται αυτά με ποσοστό ενίσχυσης 0.5 wt%. Οι προκρινόμενες συνθέσεις ικανοποιούν τον στόχο της διατήρησης των διηλεκτρικών ιδιοτήτων στα χαμηλότερα δυνατά επίπεδα. Ειδικότερα, με την ενσωμάτωση των πρόσθετων υλικών και εν συγκρίσει με την καθαρή ρητίνη, η εφαπτομένη απωλειών διατηρήθηκε σχεδόν αμετάβλητη και η επιτρεπτότητα μειώθηκε περαιτέρω για τα προκρινόμενα υλικά, ενώ συγκεκριμένα για αυτά που περιέχουν ZnO, οι διηλεκτρικές ιδιότητες χαρακτηρίζονται από σταθερότητα έναντι της επιβαλλόμενης φωτοαποικοδόμησης, με την επιτρεπτότητα να διατηρεί ικανοποιητικά την αρχική μείωση (σε σχέση με την ρητίνη). Παράλληλα η μεγιστοποίηση της προσροφημένης υγρασίας ως απόρροια της αποικοδόμησης του υλικού αποτέλεσε τον παράγοντα που επέφερε την μεγαλύτερη μεταβολή (αύξηση) των τιμών των διηλεκτρικών ιδιοτήτων, ακόμα και σε σχέση με την όλη επιβαλλόμενη γήρανση.