Контроль влияния внешних условий на диэлектрические свойства нанокомпозиционного материала полистирол - титанат бария

КОНТРОЛЬ ВЛИЯНИЯ ВНЕШНИХ УСЛОВИЙ НА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОКОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ПОЛИСТИРОЛ

- ТИТАНАТ БАРИЯ

Т.Н. Короткова, доцент, к.ф.-м.н., доцент, Воронежский институт МВД России, г. Воронеж М.А. Панкова, преподаватель, к.т.н., Воронежский институт ГПС МЧС России, г. Воронеж

В последние годы прогресс в создании радиоэлектронных средств и систем, в том числе технических систем безопасности и связи, зачастую связывается с использованием новых перспективных материалов электронной техники. К числу перспективных материалов относятся, в частности, полярные диэлектрики -сегнетоэлектрики и родственные им материалы, обладающие выраженными пиро-пьезосвойствами, фотоэлектрическим и позисторным эффектами, высокой диэлектрической проницаемостью, которой можно управлять с помощью электрического поля. В настоящее время заметно вырос интерес к нанокомпозитам на основе полярных диэлектриков. Материалы сохраняют в основном ценные для практического применения свойства полярных диэлектриков, но изделия из них оказываются более технологичными, имеют меньшие массу, габариты и стоимость.

В настоящей работе изучался нанокомпозиционный материал, представляющий собой полимерную полистирольную матрицу, равномерно заполненную на 30 объемных процентов частицами сегнетоэлектрика титаната бария с размерами 20 ^ 100 нм (0,3БаТЮ3 - 0,7РБ или 0,3ТВ - 0,7PS, состав указан в объемных долях). В отличие от керамического титаната бария, материал дает больше возможностей для получения изделий различных форм, в том числе, в виде тонких пленок путем нанесения на любые подложки без последующего вжигания.

Особенностью полярных диэлектриков и композитов на их основе является влияние на свойства материалов а, следовательно, на технические характеристики изделий из них, внешних факторов: температуры окружающей среды, электрических полей, термической и электрической предыстории и др. Поэтому требуется проведение контроля электрофизических параметров материалов под влиянием внешних воздействий. В данной работе было изучено влияние температуры и электрического поля на диэлектрические свойства 0,3БаТЮ3 -0,7РБ.

Полистирол (РБ) - известный полимер, применяемый в электротехнике и электронике. Его диэлектрическая проницаемость в « 2,5 практически не зависит от напряженности электрического поля. Внедрение в него ультрадисперсных частиц сегнетоэлектрика титаната бария ожидаемо приведет к повышению диэлектрической проницаемости и возможности ее изменения под действием электрического поля.

Композиционные материалы на основе наночастиц БаТЮ3 с поверхностью, модифицированной олеатом натрия, в полимерной матрице полистирола (С8Н8)П

были получены следующим образом. Гранулы полистирола растворяли в толуоле, затем вводили частицы BaTiO3 c модифицированной поверхностью до достижения необходимого объемного соотношения титаната бария и полистирола, после чего диспергировали суспензию ультразвуковым воздействием с использованием установки ИЛ 100-6/1 (23,5 кГц, 300 Вт, 15 минут).

Затем суспензия наносилась на полированную поверхность, на которой после испарения растворителя формировалась пленка композиционного материала. Электроды на поверхности пленки создавали путем нанесения серебросодержащей пасты, которую впоследствии высушивали при комнатной температуре.

Проводился контроль температурных зависимостей линейной (в) и нелинейной (в2) составляющих диэлектрического отклика матричного нонокомпозита в интервале температур 20 ^ 185 0С. Измерения проводили с использованием измерителя Е7-20 на частоте 100 кГц в присутствии электрического смещающего поля Е=, которое плавно изменялось в пределах от -23 до 23 кВ/см. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости измерялась в режиме медленного нагрева образца (« 2 0С/мин). Исследование реверсивной нелинейности проводили в условиях термостабилизации.

Температурная зависимость диэлектрической проницаемости показана на рисунке 1, из которого видно, что кривая в(Т) проходит через максимум при температуре ^ «100 0С, приближенно соответствующей как температуре сегнетоэлектрического фазового перехода (температуре Кюри ТС) в объемном титанате бария ТС « 120 0С [1]), так и температуре стеклования полистирола ^ « (90-100) 0С [2].

Рис. 1. Температурные зависимости линейной в (1) и нелинейной в2 (2) составляющих диэлектрической проницаемости композита 0,3BaTiOз -0,7PS

Сравнивая результаты измерения в с данными, представленными в работе [3] для чистого полистирола, отметим их различия:

- для чистого полимера в убывает в интервале температур (20-150) 0С с повышением температуры, тогда как в случае композита 0,3 TB - 0.7PS ниже ^ имеет место возрастание в.

- значение диэлектрической проницаемости композиционного материала приблизительно вдвое превосходит в чистого полистирола.

Таким образом, наличие сегнетоэлектрических частиц BaTiO3 в полимерной матрице обусловливает повышение диэлектрической проницаемости и приводит к появлению максимума на ее температурной зависимости.

Кривая в2(Т) проходит через минимум в окрестностях Это совершенно противоположно тому, что имеет место в сегнетоэлектриках, для которых нелинейная составляющая диэлектрического отклика достигает наибольшей величины в точке, соответствующей максимуму в.

-20 -10 0 10 20 Е, кУ/ет

Рис. 2. Зависимость в(Е=) композита 0,3BaTiOз - 0,7?Б при комнатной температуре

На рисунке 2, где показана зависимость в от величины смещающего электрического поля Е=. Кривая в(Е) практически симметрична относительно оси ординат. Можно убедиться, что она удовлетворительно описывается формулой: в(Е) « в - В2Е2, т.е. особенностью композита 0,3TB - 0.7PS является заметная нелинейность его диэлектрической проницаемости. Действительно, зависимость в от Е представляет прямую линию, тангенс угла наклона которой численно равен в2 - нелинейной составляющей диэлектрического отклика.

Естественно предположить, что диэлектрическая нелинейность вызвана нелинейной поляризацией сегнетоэлектрических включений BaTiO3. Однако эксперимент показал, что заметная нелинейность наблюдается, как ниже температуры Кюри ТС ~ 120 оС для массивного титаната бария (сегнетофаза), так

и выше нее (парафаза). Это однозначно указывает на то, нелинейный диэлектрический отклик не связан с сегнетоэлектрическими явлениями во внедренных частицах БаТЮ3.

Косвенно в пользу этого заключения также говорит отсутствие характерного для сегнетоэлектрических кристаллов гистерезиса на электрополевых зависимостях в, полученных в эксперименте (рис. 2).

Поскольку второй компонент композиционного метериала - полистирол является линейным диэлектриком, т.е. не может служить «источником нелинейности», то уместно предположить, что обнаруженная диэлектрическая нелинейность обусловлена процессами поляризации в граничном слое полистирол - частица БаТЮ3. Этот слой содержит молекулы олеата натрия и гидроксильные группы ОН, которыми в ходе приготовления композита была модифицирована поверхность частиц титаната бария.

Таким образом можно выделить следующие результаты проведенного контроля электрофизических параметров нанокомпозита:

- значение диэлектрической проницаемости материала приблизительно вдвое превосходит в чистого полистирола;

- обнаружена заметная зависимость диэлектрической проницаемости от электрического поля. Относительное изменение в под действием смещающего поля в условиях эксперимента составило около 20%;

- установлено, что в убывает пропорционально квадрату приложенного поля. Наблюдаемый нелинейный диэлектрический отклик в материале не связан непосредственно с сегнетоэлектрическими свойствами частиц титаната бария. Предположительно, ответственным за нелинейный вклад в поляризацию является граничный слой полистирол - частица ВаТЮ3.

Обнаруженная зависимость диэлектрической проницаемости нанокомпозитов от электрического поля может быть использована для создания на основе этих материалов перестраиваемых излучателей и приемников СВЧ диапазона - фазированных антенных решеток с электронным сканированием по азимуту и высоте. Поскольку управление диэлектрической проницаемостью осуществляется приложением напряжения при ничтожно малом токе, у таких антенн по сравнению с аналогами на ферритах будут на 1 -2 порядка ниже энергетические затраты в цепях управления и на столько же выше массогабаритные показатели. При разработке диаграммообразующих фазированных антенных решеток предпочтение следует отдавать варакторам с планарной топологией электродов.

Список использованной литературы

1. Лайнс М. Сегнетоэлектрики и родственные им материалы / М. Лайнс, А. Глас. - М.: Мир, 1980. - 736 с.

2. Pankova S.V. The giant dielectric constant in opal containing sodium nitrate nanoparticles / S.V. Pankova, V.V. Poborchii, V.G. Solov'ev // J. Phys.: Condens. Matter. 1996. - Vol. 8. - P. L203 - L 212.

3. Lupascu V. Specific heat and dielectric relaxations in ultra-thin polystyrene layers / V. Lupascu, H. Huth, Ch. Schick, M. Wubbenhorst // Thermochimica Acta. -2005. - Vol. - 432. P. - 222-228.