РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
4.1 Изменение диэлектрической проницаемости композитов ЦЭПС-BaTiO3 в результате модифицирования титаната бария Значения диэлектрической проницаемости исследуемых композитов состава ЦЭПС/модифицированный BaTiO3 приведены в таблице 4 в сравнении с аналогичным композитом, полученным с использованием исходного титаната бария. Полученные данные показывают, что существенное увеличение диэлектрической проницаемости композитов состава ЦЭПС/модифицированный BaTiO3 по сравнению с аналогичным композитом, содержащим исходный немодифицированный титанат бария, наблюдается только при введении Nb2O5. В остальных случаях величина e находится либо на уровне композита с исходным BaTiO3 (в случае введения TiO2 из TiCl4, смеси Co3O4 и Nb2O5, а также Co3O4 из Co(OH)2), либо значительно ниже по сравнению с ним (при введении Co3O4 из Co(NO3)2 и TiO2 из H2TiO3, а также V2O5 и WO3).
Таблица 4 - Диэлектрическая проницаемость исследуемых композитов при частоте 1 кГц
4.2 Изменение функционального состава поверхности образцов BaTiO3 в результате модифицирования Данные исследования образцов исходного и модифицированного BaTiO3 методом адсорбции кислотно-основных индикаторов, приведенные на рисунке 9, показывают, что наиболее значительные изменения функционального состава поверхности материала наблюдаются в случае введения Nb2O5 (рисунок 9а), что выражается в резком увеличении содержания слабокислых (рКа 5-6,5) и основных (рКа 10-13) бренстедовских центров и, по-видимому, обусловлено разупорядочением поверхностного слоя с разрывами элемент-кислородных мостиковых групп и гидроксилированием поверхности. Напротив, введение оксида кобальта приводит к практически полному исчезновению бренстедовских основных центров с рКа 7-13 и увеличению содержания льюисовских основных (pKa<0) и кислотных (pKa>14) центров (рисунок 9б), что свидетельствует об увеличении количества элемент-кислородных мостиковых связей на поверхности и ее дегидроксилировании. Снижение содержания бренстедовских основных центров в сочетании с ростом содержания льюисовских кислотных наблюдается также при введении TiO2 (рисунок 9в). Следует отметить, что если в случае Co3O4 характер распределения центров адсорбции практически не зависит от используемого прекурсора, то при введении TiO2 тип прекурсора оказывает влияние на функциональный состав поверхности.
Рисунок 9 – Распределение центров адсорбции на поверхности образцов модифицированного BaTiO3 в сравнении с исходным (¨) a – введение Nb2O5 (O) и смеси Nb2O5 с Co3O4 (D); б – введение Co3O4 с использованием прекурсоров Co(NO3)2 (O)и Co(OH)2 (D); в – введение TiO2 с использованием прекурсоров TiCl4 (O) и H2TiO3 (D)
При использовании TiCl4 наблюдается резкое увеличение содержания льюисовских кислотных (pKa 14.2) и основных (pKa-0.3) центров, что указывает на значительную перестройку поверхностного слоя, в то время как в случае H2TiO3 происходит лишь незначительное увеличение содержания льюисовских кислотных центров и некоторое смещение максимума в области слабокислых бренстедовских центров. Сопоставление данных измерения e и результатов анализа функционального состава поверхности исследуемых наполнителей показывает, что диэлектрическая проницаемость возрастает с увеличением содержания на поверхности бренстедовских слабокислых, нейтральных и основных центров (гидроксильных групп) с рКа 5…13, как показано на рисунке 10. Установленная зависимость согласуется с ранее полученными экспериментальными данными и теоретической моделью [35, 36], согласно которым рост e подобных композитов коррелирует с содержаниeм на поверхности наполнителя бренстедовских основных центров. По-видимому, рост диэлектрической проницаемости композита с увеличением степени гидроксилирования поверхности наполнителя обусловлен подвижностью относительно слабо связанных с поверхностью гидроксильных групп (что определяет их способность к переориентации в пространстве под действием внешнего электрического поля) и способностью к взаимодействию (поликонденсации) с гидроксильными группами в составе ЦЭПС по механизму, представленному на рисунке 11, с образованием пространственной сетки связей, оказывающей ориентирующее действие на полярные группы полимера.
Рисунок 10 – Зависимость диэлектрической проницаемости композитов от содержания бренстедовских нейтральных центров с рКа 6,4 (а) и бренстедовских основных центров с рКа 7,3…12,8 (б)
Рисунок 11 – Взаимодействие между гидроксильными группами наполнителя и матрицы ЦЭПС в исследуемых композитах Кроме того, установлена отрицательная корреляция между диэлектрической проницаемостью композитов и суммарным содержанием льюисовских основных и кислотных центров с наиболее низкими и высокими значениями рКа, соответствующими атомам кислорода и металла на поверхности (рисунок 12). Такие центры обладают наименьшей подвижностью под воздействием внешнего поля. По-видимому, введение добавок приводит к разупорядочению элемент-кислородных мостиковых связей в поверхностном слое титаната бария и гидроксилированием поверхности в результате хемосорбции атмосферной влаги.
Рисунок 12 – Зависимость диэлектрической проницаемости композитов от общего содержания льюисовских основных (рКа<0) и кислотных (рКа 14,2) центров
Изменение фазового состава поверхностного слоя BaTiO3 в результате модифицирования Результаты исследования образцов исходного и модифицированного BaTiO3 методом ЭСДО, приведены в таблице 5 в виде математического разделения спектров на составляющие, описываемые распределением Ферми-Дирака по методике [39.]
Таблица 5 - Энергия середины спектрального перехода (E0, эВ) и интенсивность сигнала (I, отн. ед.) в спектрах ЭСДО исходного и модифицированного BaTiO3
Полученные данные показывают, что на поверхности исходного BaTiO3 титан находится в искаженной октаэдрической координации (E03,2 эВ), близкой к координационному комплексу [TiO6] в составе рутила (E03,13 эВ [4]). Введение в состав поверхностного слоя BaTiO3 диоксида титана с использованием прекурсора TiCl4 сопровождается незначительным дополнительным искажением координационных комплексов [TiO6]. Однако по общей отражательной способности и координационному состоянию титана на поверхности порошки модифицированного BaTiO3 мало отличаются от исходного титаната бария независимо от типа используемого прекурсора. В случае введения в состав поверхностного слоя титаната бария оксида кобальта наблюдается появление сильно поглощающих фаз с энергиями середины спектрального перехода 2,34 и 1,55 эВ, соответствующих координационным комплексам кобальта с различной степенью окисления. Введение оксида ниобия не изменяет отражательную способность BaTiO3. Однако внедрение в состав поверхностных структур ионов Nb5+, обладающих большим радиусом и высоким эффективным зарядом, приводит к повышении величины E0 до 3,37 эВ, что соответствует дополнительному разупорядочению связей Ti-O с образованием сильно искаженного "анатазоподобного" октаэдрического комплекса [40], повышению их полярности и, соответственно, росту диэлектрической проницаемости. При одновременном введении эквимолярных количеств оксидов ниобия и кобальта их влияние взаимно компенсирует друг друга, что, по-видимому, обусловлено их взаимодействием с образованием так называемого "серого фильтра", существенно снижающего отражательную способность материала. При этом образование кобальт-ниобиевых соединений не влияет на координационное состояние атомов титана в поверхностном слое модифицированного BaTiO3. Это является вероятной причиной отсутствия существенного изменения диэлектрической проницаемости соответствующего гибридного композита по сравнению с композитом на основе исходного титаната бария.
Влияние модифицирования на удельную поверхность BaTiO 3 Данные измерения удельной поверхности образцов модифицированного BaTiO3 методом БЭТ показывают, что введение смеси Co3O4 и Nb2O5 не приводит к значительному изменению Sуд., в то время как при введении V2O5 и WO3 удельная поверхность существенно возрастает.
Таблица 6 - Удельная поверхность исходного и модифицированного BaTiO3
Удельная поверхность закономерно снижается с ростом диэлектрической проницаемости (рисунок 13), который, по-видимому, обусловлен уменьшением размера частиц.
Рисунок 13 - Зависимость диэлектрической проницаемости композитов ЦЭПС-BaTiO3 от удельной поверхности наполнителя
4.5 Влияние модифицирования BaTiO 3 оксидными добавками на структуру поверхностного слоя композитов Методом АСМ был исследован профиль поверхности композитов на основе ЦЭПС с BaTiO3 в исходном состоянии и после модифицирования введением оксидов кобальта и ниобия. Полученные данные, приведенные на рисунке 14, показывают, что для поверхности композита на основе ЦЭПС и исходного BaTiO3 (рисунок 14а) характерен выраженный неоднородный рельеф поверхности с многочисленными выступающими неровностями высотой до 2,5 мкм, по-видимому образованными агломератами частиц BaTiO3. Введение оксида кобальта не привело к заметному изменению профиля поверхности (рисунок 14б), в то время как введение Nb2O5 (рисунок 14 в,г) привело к ее значительному сглаживанию. Это может быть обусловлено активацией поверхности BaTiO3 при введении оксида ниобия (что соответствует формированию анатазоподобной структуры с напряженными связями и ростом содержания гидроксильных групп на поверхности), что приводит к усилению взаимодействия в системе полимер-наполнитель и улучшению смачивания наполнителя полимером, препятствует агломерации частиц титаната бария и обеспечивает формирование однородного рельефа поверхности. Наблюдаемый эффект повышения однородности структуры композита при модифицировании титаната бария оксидом ниобия, по-видимому, вносит существенный вклад в значительный рост их диэлектрической проницаемости.
Рисунок 14 – Микрофотографии АСМ композитов на основе ЦЭПС с BaTiO3 в исходном состоянии (а) и после модифицирования введением оксидов кобальта (б) и ниобия (в, г)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ В целом на основании полученных данных можно сделать вывод о том, что диэлектрическая проницаемость гибридных композитов на основе полимерной матрицы ЦЭПС и титаната бария в качестве наполнителя может быть значительно повышена посредством модифицирования поверхности BaTiO3 оксидом ниобия. Достигнутый эффект обусловлен следующими взаимосвязанными факторами: - разупорядочением структуры поверхностного слоя титаната бария, приводящим к изменению координационного окружения атомов титана с формированием анатазоподобной структуры; - образованием на поверхности наполнителя гидроксильных групп слабокислого, нейтрального и основного характера, эффективно взаимодействующих с полимерной матрицей, что препятствует агломерации частиц наполнителя и оказывает ориентирующее действие на полярные группы полимера. Установлена положительная корреляция между содержанием указанных функциональных групп на поверхности наполнителя и диэлектрической проницаемостью композита. Полученные данные перспективны для прогнозирования диэлектрических свойств органо-неорганических композиционных материалов на основе анализа функционального состава поверхности неорганического наполнителя и получения композиционных материалов с улучшенными диэлектрическими характеристиками для применения в составе конденсаторов, электролюминесцентных источников света и других электронных устройств.
ЛИТЕРАТУРА
1. Композиционные материалы / М. Л. Кербер // Соровский образовательный журнал. - 1995. - №5. - С. 34. 2. Достижения в области композиционных материалов / Под ред. Дж. Пиатти М.: Металлургия, 1982. – 304 с. 3. Полимерные матрицы для высокопрочных армированных композитов / А.А. Берлин, Л. К. Пахомова // Высокомолекулярные соединения. – 1990. – Т. (А) 32, №7. - С. 1347-1385. 4. Современные полимерные композиционные материалы / Берлин А.А. // Соровский образовательный журнал. - 1995. - №1. – С. 57-65. 5. Кербер М. Л. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учебное пособие / М.Л. Кербер, В.М. Виноградов, Г.С. Головкин и др.; под общ. ред. А.А. Берлина. – СПб.: Профессия, 2008. – 560 с. 6. http://www.e-plastic.ru/main/articles/r2/pk01/Композиционные материалы. 7. http://thesaurus.rusnano.com/index.php / Словарь нанотехнологических и связанных с нанотехнологиями терминов. 8. Перепелкин К.Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты. – СПб.: Научные основы и технологии, 2009. – 380 с. 9. Полимерные нанокомпозиты /Чвалун С.Н // Природа. - 2000.-№ 7.– С. 22-30 10. Пасынков В.В. Материалы электронной техники / Пасынков В.В., Сорокин В.С. - 2-е изд. - М.: ВШ., 1986. – с. 367. 11. Бурковский В.Л. Физические явления и эффекты в технических системах: учебное пособие / В.Л. Бурковский [и др.]. - Воронеж, 2007. - 242 с. 12. Сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики / Смоленский Т. А. [и др.] – М.: Наука, 1979. – 476 с. 13. Барфут Дж. Введение в физику сегнетоэлектрических явлений / Под ред. Л.А. Шувалова. – М.: Мир, 1970. – 352 с. 14. Корсаков В.Г., Физическая химия твердого тела / Корсаков В.Г, Сычев М.М., Мякин С.В., – СПб.: Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2008. - 177 с. 15. Литовченко В. Г., Основы физики микроэлектроники систем металл-диэлектрик-полупроводник / В.Г Литовченко, А.П. Горбань. – Киев: Наукова думка, 1978. – 37 с. 16. Ренне В. Т. Пленочные конденсаторы с органическим синтетическим диэлектриком.- М.: Госэнергоиздат, 1963. - 203 с. 17. The Effect of the Dielectric Constant of the Embedding Media on Electroluminescent Light Intensity / J. Tanaka, D. Berg // J. Electrochem. Soc., 1963, V. 110. - № 6. – Р. 580-582. 18. Wlasnosci dielektrykow / J. Antoniewicz // WNT. – 1971. - С. 34. 19. Козлов М. П., Прокофьева М. В. // Пластмассы . – 1966. – Т.10. – С.17. 20. Михайлов Г. П. // Журнал Всесоюзного химического общества им. Д. И. Менделеева. – 1961. – Т. 6, № 4. – С. 404. 21. А.с. 385408 СССР / Способ изготовления электролюминесцентных панелей / В. И. Долгополов, Л. Н. Долгополова, Т. И. Белогловская. — 1973. - Бюл. № 25. – 8 с. 22. Особенности структурных превращений в акриловых дисперсиях / Б. Л. Хавкина // Пластические массы. – 1991. – № 3. – С. 12–16. 23. High dielectric constant composites for the electroluminescent displays / S. A. Alexeev, M. M. Sychov, O. V. Likhacheva, V. G. Korsakov, A. G. Rodionov, L. L Ejenkova // Displays optics, 23-24 October, St. Peterburg. - 2004. – p. 35. 24. Структура, свойства наполненных полимерных систем и методы их оценки / Ю. С. Липатов // Пластмассы. – 1976. – № 11. – С. 6–10. 25. The mechanism of the barrier effect in solid dielectrics / O. S. Gefle, S. M. Lebedev, V. Ya. Uschakov // J. Phys. D: Appl. Phys. – 1997. – V. 30. – P. 3267–3273. 26. Interfaces and nanodielectrics are synonymous / T. J. Lewis // Proc. Intern. Conf. Solid Diel., 5–9 July. – 2004. – V. 2. – P. 792–795. 27. The barrier effect in dielectrics. The role of interfaces in the breakdown of inhomogeneous dielectrics / S. M. Lebedev, O. S. Gefle, Y. P. Pokholkov // IEEE Trans. Diel. Electr. Insul. – 2005. – V. 12, №3. – P. 537–555. 28. Dielectric nanocomposites with insulating properties/ Т. Tanaka // IEEE Trans. Diel. Electr. Insul. – 2005. – V. 12, № 5. – P. 914–928. 29. Influence of polarisation on breakdown strength of polymeric composite dielectrics / O. S. Gefle, S. M. Lebedev, Yu. P. Pokholkov, D. P. Agoris, I. Vitellas // IEE Proc. Sci. Meas. Technol. – 2001. – V. 148, № 3. – P. 125–128. 30. Поведение композиционных материалов с наполнителем из сегнетоэлектрической керамики в электрическом поле / О. С. Гефле, С. М. Лебедев, С. Н. Ткаченко // Известия Томского политехнического университета. – 2005. – Т. 308, № 4. – С. 64–68. 31. Вещества с высокой и сверхвысокой диэлектрической проницаемостью / Б. М. Вул // Успехи физических наук. – 1967. – Т. 93, №11. – С. 541-552. 32. Титанат бария – новый сегнетоэлектрик / А. В. Ржанов // Успехи физических наук. - 1949. - Т. 38, вып. 4. - С. 461-489. 33. Megaw Н. D. // Proc. Phys. Soc. – 1946. - V. 58. – P. 133. 34. Функциональные наполнители для пластмасс / Под ред. Мариино Ксантоса. – СПб.: НОТ, 2010. - 462 с. 35. Алексеев С. А. Влияние донорно-акцепторных свойств поверхности функциональных наполнителей на характеристики композитов с циановым эфиром поливинилового спирта: дис. ... канд. хим. наук.–СПб. – 2005. – 140 с. 36. Прогнозирование диэлектрических свойств полимерных композитов на основе термодинамической модели / В. Г.Корсаков, С. А.Алексеев, М. М.Сычев, М. Н.Цветкова, Е. В.Комаров, Б. Ли, С. В.Мякин, И. В.Васильева // Журнал прикладной химии. – 2007. - Т.80, вып.11. - С. 1908-1912. 37. Проблемы золь-гель синтеза композиционных стеклокерамических материалов / С. В. Хашковский, О. А. Шилова, Л. А. Кузнецова // Вопросы химии и химической технологии. – 2001. - №1. - С. 68-74. 38. Максимов А. И. Основы золь-гель технологии нанокомпозитов / А. И. Максимов, В. А. Мошников, Ю. М. Таиров, О. А. Шилова. – СПб.: ООО "Техномедиа" / Изд-во "Элмор", 2008. – 255 с. 39. Новый вариант обработки электронных спектров диффузного отражения / Е. А. Соснов, А. А. Малков, А. А. Малыгин // Журнал физической химии. - 2009. - Т. 83, №4. - С. 746-752. 40. Природа поверхности пирогенного диоксида титана по данным оптической микроскопии / Е. А. Соснов, К. Л. Васильева, А. А. Малков // Журнал физической химии. - 2010. - Т. 84, №6. - С. 1141-1145. 41. Косинская Л.В., Кочеров Н.П. Технико-экономические расчеты в дипломном проекте: Метод. Указания. — СПбГТИ(ТУ), 2002. — 33 с. Кочеров Н.П. Технико-экономическое обоснование инженерных решений при проектировании химических производств: Метод. указания. – СПб.: ГОУ ВПО СПбГТИ(ТУ), 2009. - 45 с. 42. ГОСТ 12.0.003 - 74 ССБТ. Опасные и вредные производственные факторы. Классификация. - В кн.: ГОСТ 12.0.001 - 74 и др. – М.:1981. – 10-13 с. 43. ГОСТ 12.1.005 - 88 ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. – М.: Издательство стандартов, 1988. - 75 с. 44. Пожаровзрывоопастность веществ и материалов и средства их тушения: Справочник: в 2-х ч. – 2 изд., перераб. и доп. / Под ред. А.Я. Корольченко. – М.: Асс. "Пожнаука", 2004. – Ч.1 - 713 с.; Ч.2 – 757 с. 45. Вредные вещества в промышленности. Т. 1,2,3. / Под ред. Н.В. Лазарева. – М.: Химия, 1976, 1977. 46. НПБ 105-03. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности. – М.: Гл. упр. Гос. противопожарной службы МВД России, 1996. – 32 с. 47. ГОСТ 12.1.004 - 76 ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования. – М.: Издательство стандартов, 1992. – 78 с. 48. Правила устройства электроустановок. — М.: Главгосэнергонадзор России, 1998. – 607 с. 49. СН-245-71. Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий, М.: Изд-во литературы по строительству, 1972. – 89 с. 50. ГОСТ 12.4.021-75. ССБТ Системы вентиляционные. Общие требования. – Введ. 1977-01-01. – М.: Стандартинформ, 2007. – С. 2-4. 51. СНиП 23-05-95. Естественное и искусственное освещение производственных помещений. Нормы проектирования. — М.: Стройиздат, 1995. – 48 с. 52. Захаров Л. Н. Техника безопасности в химической лаборатории. Справ. изд. – 2-е изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1991. – 336 с.
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А Патентный поиск Проведён патентный поиск по теме: Синтез и применение композиционных материалов на основе полимеров и сегнетоэлектриков. Проанализированы патенты за период с 1996 по 2010 гг., результаты патентного поиска приведены в таблице А.1.
Таблица А.1 – Результаты патентного поиска
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
Популярное: Почему двоичная система счисления так распространена?: Каждая цифра должна быть как-то представлена на физическом носителе... Как распознать напряжение: Говоря о мышечном напряжении, мы в первую очередь имеем в виду мускулы, прикрепленные к костям ... Личность ребенка как объект и субъект в образовательной технологии: В настоящее время в России идет становление новой системы образования, ориентированного на вхождение... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (234)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |