DIELECTRIC STUDY OF COMPOSITE MATERIALS FILLED WITH FERROELECTRIC CERAMICS

Кастро Р.А.¹, Кононов А.А.²

¹Доктор физико-математических наук, профессор, РГПУ им. А.И. Герцена; ²Магистрант, РГПУ им. А.И. Герцена

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С НАПОЛНИТЕЛЕМ ИЗ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ КЕРАМИКИ

Аннотация

Приведены результаты исследования температурно-частотной зависимости диэлектрических параметров в полимерных композиционных материалах на основе полиэтилена и титаната бария. При введении сегнетоэлектрика в полимерную матрицу обнаружено увеличение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь.

Ключевые слова: диэлектрические свойства, полимерная система, сегнетоэлектрическая керамика.

Castro R.A.¹, Kononov A.A.²

¹Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Herzen State Pedagogical University; ² Postgraduates, Herzen State Pedagogical University

DIELECTRIC STUDY OF COMPOSITE MATERIALS FILLED WITH FERROELECTRIC CERAMICS

Abstract

The paper views the results of the study of temperature and frequency dependence of the dielectric parameters in polymer composites based on polyethylene and barium titanate. With the introduction of ferroelectric into the polymer matrix an increase in the dielectric constant and dielectric loss tangent was found.

Keywords: dielectric properties, polymer system, ferroelectric ceramic.

Введение. В последние годы, повышенное внимание уделяется разработке композиционных полимерных материалов (КПМ) с высокой диэлектрической проницаемостью. Такие материалы находят широкое применение в различных областях техники. В частности, полимерные системы, наполненные порошком сегнетоэлектрической керамики, используются в качестве дополнительных слоев, регулирующих распределение поля в высоковольтных изоляционных конструкциях [1]. КПМ на основе полиэтилена и титаната бария обладают высокими и стабильными электретными свойствами, что делает их перспективными для создания элементов водных фильтров.

Введение мелкодисперсного наполнителя неорганическое происхождения  существенно модифицирует структуру и свойства КПМ за счет межфазных взаимодействий и образования граничного нанослоя вблизи частиц наполнителя [1]. Это определяет особенности временного распределения локального поля в отдельных областях полимерной системы и частотной зависимости комплексной диэлектрической проницаемости КПМ. В связи с этим актуальным является вопрос получения информации о частотном спектре существующих параметров самой полимерной матрицы и основных закономерностях изменения параметров диэлектрической релаксации при введении частиц наполнителя неорганического происхождения в полимерную матрицу.

Целью данной работы являлось установление закономерностей изменения свойств КПМ на основе полиэтилена при введении активного наполнителя - сегнетоэлектрика методом диэлектрической спектроскопии. Диэлектрические спектры дают полную информацию не только о поведении комплексной диэлектрической проницаемости, но и о структуре КПМ, что незаменимо при целенаправленном регулировании состава компонентов и свойств композиционных диэлектриков [2-4].

Методика эксперимента. В качестве объекта исследования был выбран полиэтилен высокого давления (ПЭВД), а в качестве наполнителя использовался  порошкообразный титанат бария. Полимерные композиции получали смешением на лабораторных микровальцах с регулируемыми электрообогревом. Образцы изготавливали в виде пластин толщиной 0,1 – 1,2 мм прессованием на гидравлическом прессе в соответствии с ГОСТ 12019-66. Отпрессованные пленки подвергались предварительному прогреву в термошкафу. Охлаждение образцов проводилось в поле отрицательного коронного разряда.

Измерения проводились на спектрометре "Concept 81" компании NOVOCONTROL Technologies GmbH & Со. Образцы представляли собой тонкие слои толщиной 0.3-0.5 мм и диаметром 20.0 мм. Измерения диэлектрических параметров (составляющих комплексной диэлектрической проницаемости ε^’и tgδ) образцов полимерного композита, были выполнены в интервале температур от 273 до 403 К. Точность измерения температуры составляла 0,5 ⁰С. Измерительное напряжение, подаваемое на образец, составляло 1.0 В.

Результаты и их анализ. Поскольку исследуемые КПМ представляют собой двухфазную матричную систему, то в таких материалах должны наблюдаться практически все виды поляризации: электронная, дипольно-релаксационная, миграционная (обусловленная смещением свободных носителей заряда), ионная упругая и релаксационная, а так же доменная [1].

В таблице 1 приведены результаты исследования диэлектрических характеристик полимерной матрицы и КПМ с различной концентрацией наполнителей.

Таблица 1 – Характеристики полимерной матрицы с различной концентрацией наполнителя

Содержание BaTiO3 в об. %	0	4	8	12	20
ε’	2.14	1,74	2,37	2,76	4,36
tgδ	1.4869E-04	6,0793E-4	0,00783	0,01076	0,01443
Ea, эВ	0,33	0,43	0,56	0,64	0,83

 

Увеличение e’ с ростом содержания наполнителя BaTiO₃, для КПМ с > 4% сегнетоэлектрика (рис. 1) происходит из-за того, что при введении активного наполнителя, в системе появляются однородно поляризационные области – домены, дипольные моменты которых в отсутствие электрического поля имеют неупорядоченный характер. При наложении поля происходит преимущественная ориентация доменов, что приводит к росту поляризованности КПМ.

Обнаруженный рост тангенса угла диэлектрических потерь при введении BaTiO₃ (рис. 2) может быть связан с усилением взаимодействия между полярными группами полимерной матрицы и поляризованными частицами сегнетоэлектрической керамики. Это взаимодействие может привести и к росту энергии активации процессов поляризации (рис. 3).

Процентное содержание BaTiO₃ не влияет на положение температурного максимума. Таким образом, введение порошка неорганического сегнетоэлектрика BaTiO₃ уменьшает температуру размягчения ПЭВД.

Рис. 1 – Зависимость диэлектрической проницаемости (ε’) от содержания наполнителя BaTiO₃ в полимерном композите

Рис. 2 – Зависимость тангенса диэлектрических потерь (tgD) от температуры (T) в области средних частот (f=10³Гц)

Рис. 3 – Зависимость энергии активации релаксационного процесса (E_a) от содержания наполнителя BaTiO₃ в полимерном композите

Заключение. Таким образом, введение активного наполнителя в полимерную матрицу полиэтилена увеличивает величину диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь. Первое обусловлено появлением дипольно-подобных образований (доменов), второе взаимодействием между полярными группами полимерной матрицы и поляризованными частицами сегнетоэлектрической керамики.