Κατασκευή, χαρακτηρισμός και ιδιότητες σύνθετων διηλεκτρικών υλικών πολυμερικής μήτρας
Authors: Ασημακόπουλος Ιωάννης 
Published: September 2021

Τα τελευταία χρόνια, μια νέα γενιά σύνθετων υλικών έχει προσελκύσει το παγκόσμιο επιστημονικό ενδιαφέρον. Πιο συγκεκριμένα, αφορά τη μελέτη και κατασκευή σύνθετων υλικών πολυμερικής μήτρας με εγκλείσματα κεραμικών υλικών στη νανο-κλίμακα. Αυτού του είδους τα σύνθετα υλικά, έχουν μία σειρά από ενδιαφέρουσες ηλεκτρικές ιδιότητες, οι οποίες μπορούν να βρουν εφαρμογή σε πολλούς τεχνολογικούς κλάδους και σε διάφορες χρήσεις, όπως αισθητήρες θερμοκρασίας, πυκνωτές αποθήκευσης ενέργειας, ενεργοποιητές ευφυών συστημάτων, υλικά ηλεκτρομαγνητικής θωράκισης και ηλεκτρικούς διακόπτες χρονικής καθυστέρησης στην μικροηλεκτρονική είναι μερικές από τις διάφορες χρήσεις τους. Βάσει αυτού του γεγονότος δικαιολογείται και η βαρύτητα που έχει δοθεί στην έρευνα τέτοιων υλικών. Όσο για την επιλογή της νανο-κλίμακας (σωματίδια μικρότερα των 100nm), αυτό έχει να κάνει με το ότι οποιoδήποτε υλικό σε κλίμακα νανο- διαθέτει μοναδικές ιδιότητες και συνήθως αρκετά διαφορετικές και ελκυστικές σε σχέση με μεγαλύτερες διαστάσεις, ανάλογα βέβαια και την εφαρμογή για την οποία προορίζεται το εκάστοτε υλικό, λόγω της μεγάλης διεπιφάνειας που δημιουργείται και των φαινομένων που σχετίζονται με αυτήν. Τα κεραμικά εγκλείσματα μπορούν να έχουν και άλλες ιδιότητες, όπως για παράδειγμα να είναι πιεζοκρύσταλλοι, να εμφανίζουν το σιδηροηλεκτρικό φαινόμενο ή το πυροηλεκτρικό φαινόμενο, ιδιότητες οι οποίες προσδίδουν επιπλέον δυνατότητες και λειτουργική συμπεριφορά στο σύνθετο υλικό, ανοίγοντας νέους ορίζοντες στη χρήση τέτοιων προηγμένων σύνθετων και ταυτοχρόνως ‘ευφυών συστημάτων’. Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή, αρχικά συντέθηκαν διάφορα είδη διαφορετικών πολυμερών και στη συνέχεια μέσω αυτών παρήχθησαν σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας. Τα πολυμερή που χρησιμοποιήθηκαν ως μήτρες, συντέθηκαν είτε εργαστηριακά είτε έγινε προμήθεια αυτών μέσω του εμπορίου και προέρχονται από τις τρεις πιο σημαντικές και πιο ευρείας χρήσης κατηγορίες θερμοσκληρυνόμενων πολυμερών. Πιο συγκεκριμένα, τα πολυμερή που χρησιμοποιήθηκαν ως πολυμερικές μήτρες στα σύνθετα υλικά, ανήκουν στις κατηγορίες των ρητινών φαινόλης-φορμαλδεΰδης (και συγκεκριμένα τις νεολάκες), των ακόρεστων πολυεστερικών ρητινών καθώς και των εποξειδικών ρητινών. Όσον αφορά τις νεολάκες έγινε εργαστηριακή σύνθεση της ρητίνης, ενώ όσον αφορά τις εποξειδικές ρητίνες έγινε προμήθεια μίας εποξειδικής ρητίνης από το εμπόριο (ειδικός τύπος για ηλεκτρονικές και ηλεκτρικές εφαρμογές). Αναφορικά με τις ακόρεστες πολυεστερικές ρητίνες έγινε εργαστηριακή σύνθεση πέντε διαφορετικών συνθέσεων ρητινών με βάση τις πρώτες ύλες: αιθυλενογλυκόλη, μαλεϊκό οξύ, αδιπικό οξύ και φθαλικός ανυδρίτης καθώς επίσης χρησιμοποιήθηκε και μία ακόμα ρητίνη ακόρεστου πολυεστέρα εμπορικού τύπου. Οι παραπάνω οκτώ ρητίνες συνδυάστηκαν με τα κεραμικά νανο-σωματίδια τιτανικού βαρίου (BaTiO₃) με την μορφή πρόσθετουv από 3%-20% w/w. Η μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή των σύνθετων υλικών με θερμοσκληρυνόμενες πολυμερικές μήτρες και τιτανικό βάριο είναι η χύτευση μέσω θερμοσυμπίεσης. Τα σκληρυμένα πια σύνθετα υλικά στη συνέχεια μελετήθηκαν όσον αφορά την δομή τους, την θερμική του απόκριση καθώς και τις μηχανικές και διηλεκτρικές τους ιδιότητες. Ο λόγος για τον οποίο επιλέχτηκαν οι συγκεκριμένες επιμέρους φάσεις για τη δημιουργία των σύνθετων υλικών είναι διότι στο παρελθόν δεν έχουν παρασκευαστεί και μελετηθεί οι συγκεκριμένοι τύποι σύνθετων υλικών. Σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής είναι η μελέτη της σύνθεσης-πολυμερισμού των παραπάνω αναφερθέντων εργαστηριακών θερμοσκληρυνόμενων ρητινών, στη συνέχεια η παρασκευή των σύνθετων υλικών και τέλος η μελέτη και ο χαρακτηρισμός της δομής τους, της θερμικής τους απόκρισης καθώς και των μηχανικών και των διηλεκτρικών τους ιδιοτήτων. Αρχικά λοιπόν πραγματοποιείται μελέτη και χαρακτηρισμός της δομής των νανο-σύνθετων υλικών μέσω διαφορετικών μεθόδων, όπου εξετάζονται το είδος του πλέγματος, η ταυτοποίηση συγκεκριμένων χημικών δεσμών, η τοπογραφία της επιφάνειας και η διασπορά των νανο-σωματιδίων στην εκάστοτε πολυμερική μήτρα. Στη συνέχεια αναφορικά με την θερμική απόκριση των σύνθετων υλικών την μέγιστη θερμική αντοχή επέδειξαν τα δοκίμια με πολυμερική μήτρα νεολάκης, στη συνέχεια με λίγο μικρότερη θερμική αντοχή τα σύνθετα με πολυμερική μήτρα εποξειδικής ρητίνης και τέλος τα σύνθετα με πολυεστερικές πολυμερικές μήτρες. Όσον αφορά την θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης σε κάποια σύνθετα η συγκεκριμένη θερμοκρασία παρουσίαζε αύξηση με αυξανόμενη περιεκτικότητα σε τιτανικό βάριο, ενώ σε κάποια άλλα ακριβώς αντίθετο. Όλα τα παρασκευασθέντα σύνθετα υλικά παρουσίασαν μείωση των μηχανικών τους αντοχών με αυξανόμενη περιεκτικότητα σε τιτανικό βάριο, τόσο στην δοκιμή σε διάτμηση, όσο και στην δοκιμή σε κάμψη. Σχετικά με το είδος της αστοχίας, κάποια από αυτά εμφάνισαν ψαθυρού τύπου θραύση, ενώ τα σύνθετα υλικά με πολυμερική μήτρα εργαστηριακών ακόρεστων πολυεστέρων εμφάνισαν ελαστομερικού τύπου αστοχία, κάτι το οποίο θα μπορούσε να φανεί ελκυστικό σε πιθανές εφαρμογές τέτοιων σύνθετων υλικών για παράδειγμα με τη μορφή καλωδίων. Αναφορικά με τις διηλεκτρικές ιδιότητες, αυτές αποτελούν και τις σημαντικότερες μετρήσεις για τα συγκεκριμένα σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας μιας και ο ρόλος του πρόσθετου (τιτανικό βάριο) είναι η προσθήκη κυρίως αποθηκευτικής ικανότητας καθώς και πιεζοηλεκτρικές, πυροηλεκτρικές και σιδηροηλεκτρικές ιδιότητες στα δοκίμια. Οι διηλεκτρικές μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν συναρτήσει δύο μεταβλητών: της συχνότητας και της θερμοκρασίας. Συγκεκριμένα το εύρος συχνοτήτων κυμαινόταν μεταξύ 10⁻⁶-10⁶Hz, ενώ το εύρος των θερμοκρασιών από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος μέχρι την μέγιστη θερμοκρασία που αντέχει το εκάστοτε πολυμερές, τιμή θερμοκρασίας η οποία προήλθε μέσω της θερμικής ανάλυσης η οποία έχει προηγηθεί. Σε κάποια δοκίμια η μελέτη έγινε από τους -100°C έως την μέγιστη θερμοκρασία αντοχής, με σκοπό την μελέτη της διηλεκτρικής συμπεριφοράς και σε θερμοκρασίες χαμηλότερες της θερμοκρασίας περιβάλλοντος. Τα φαινόμενα-χαλαρώσεις που ταυτοποιήθηκαν μέσω της διηλεκτρικής φασματοσκοπίας είναι η εμφάνιση των α, β και γ χαλαρώσεων καθώς και της διεπιφανειακής πόλωσης. Όσο αφορά την εναλλασσόμενη αγωγιμότητα που επέδειξαν τα σύνθετα υλικά, αυτή κυμαίνεται από 10⁻¹⁵ S/cm έως 10⁻⁵ S/cm, με αποτέλεσμα τα σύνθετα υλικά να χαρακτηρίζονται ως μονωτές στο μεγαλύτερο εύρος των θερμοκρασιών και των συχνοτήτων. Τα συγκεκριμένα υλικά θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως αισθητήρες ή ενεργοποιητές σε ευφυή συστήματα, μιας και τα νανο-σωματίδια τιτανικού βαρίου εάν ενεργοποιηθούν κατάλληλα δύναται να επιδείξουν πιεζοηλεκτρικές, σιδηροηλεκτρικές και πυροηλεκτρικές ιδιότητες, οι οποίες είναι πολύ χρήσιμες και επιθυμητές σε τέτοιου είδους εφαρμογές. Η μελέτη με την οποία ολοκληρώνεται η Διδακτορική Διατριβή είναι ο υπολογισμός της αποθηκευτικής ικανότητας ενέργειας όλων των παρασκευασθέντων δοκιμίων και η σύγκριση μεταξύ των, με αποτέλεσμα να αποκτηθούν πολύ χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με την εφαρμογή των συγκεκριμένων σύνθετων υλικών ως πυκνωτές.