Использование межпредметных связей при изучении композиционных электроактивных материалов в курсе магистратуры

радиационные электреты - получают облучением диэлектриков заряженными частицами (электронами, протонами), а также нейтральными частицами или γ-излучением при одновременном или последующем воздействии постоянного электрического поля;

короноэлектреты - получают заряжением в коронном разряде при нагревании или без нагревания;

электроэлсктреты - получают воздействием (без нагревания) н

а диэлектрик постоянного электрического поля с напряженностью, близкой к пробивной;

хемоэлектреты - получают химическим сшиванием (вулканизацией) полимерных диэлектриков в электрическом поле или полимеризацией в электрическом поле;

механоэлектреты - получают прессованием или другими способами формования полимерных образцов без воздействия электрического поля от внешнего источника;

магнетоэлектреты - получают при термомагнитной обработке диэлектриков бет воздействия электрического поля от внешнего источника.

Электреты имеют на своих поверхностях равные и противоположные заряды, однако в последнее время появились так называемые моноэлектреты - образцы диэлектриков, имеющие равные заряды одного и того же знака с разных сторон (рис.1. а). Стабильность электретных зарядов обеспечивается (помимо низкой электропроводности электретных материалов и большого времени релаксации дипольной ориентации) наличием противозарядов на противоположной заряженной поверхности или на электродах, находящихся вблизи заряженной поверхности. В этих случаях емкость системы резко возрастает, и соответственно растет время релаксации τ = RC

Рис.1. Схематическое изображение моноэлектрета (а) гетерозаряженного (б) и гомозаряженного (в) электретов (электреты б и в - в процессе поляризации)

Электреты, получаемые после статической электризации или трения, называют иногда "статическими электретами" или "трибоэлектретами".

Кроме перечисленных способов получения электретов существует еще способ заряжения с применением жидких электродов, по которому высокое напряжение подводится с одной стороны к напыленному на поверхность полимера металлическому электроду, а с другой - к жидкости, омывающей противоположную поверхность. Затем жидкость сливают, поверхность высушивают, и получается электрет с потенциалом поверхности, точно соответствующим подаваемому напряжению.

Все электреты можно разделить на две группы: электреты, обладающие дипольными зарядами, и электреты, обладающие инжектированными извне зарядами. В первом случае знак заряда на поверхности Противоположен знаку напряжения на прилегающем электроде, поэтому этот вил зарядов называют также гетерозарядом; во втором случае знак заряда на поверхности тот же, что и напряжение на прилегающем электроде, этот заряд называют гомозарядом. Однако гетерозаряд может возникать не только в результате дипольной ориентации, но и от смещения ионов в процессе поляризации.

Пьезоэлектрические свойства полимеров

Пьезоэлектричеством называется генерирование диэлектриками электрических зарядов при их механической деформации (нагружении) или механическая деформация диэлектриков при приложении внешнего электрического поля. Использование полимеров в качестве пьезоэлектриков в настоящее время широко распространено, хотя пьезоэффект в полимерных материалах был обнаружен относительно недавно. (Впервые он был обнаружен в древесине в 40-х годах, но пьезоэлектрические явления в полимерных диэлектриках наблюдали и ранее с начала века. Полимерные пьезоэлектрики с высоким пьезоэффектом, пригодные для промышленного использования, были найдены в конце 60-х годов.)

Определение пьезоэлектрических параметров необходимо, в первую очередь, при разработке и поиске новых пьезоэлектрических полимерных материалов, а также для контроля качества выпускаемых промышленностью пьезоэлектрических полимерных пленок и композиционных материалов.

Пьезоэффект в полимерах

Прямой пьезоэлектрический эффект заключается в возникновении электрических зарядов на поверхности диэлектрика и электрической поляризации внутри него при воздействии механических нагрузок или деформаций δ. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в возникновении деформаций диэлектрика при приложении к нему электрической разности потенциалов.

Пьезоэффектом обладают кристаллы с определенной группой симметрии, поликристаллические материалы, являющиеся пьезоэлектрическими текстурами, смеси кристаллических частиц с аморфным материалом, аморфные диэлектрики с ориентированными диполями, образующими пьезоэлектрическую текстуру.

К пьезоэлектрическим текстурам могут относиться только ацентрические текстуры, поскольку электрическая поляризация невозможна в среде, имеющей вектор симметрии.

Пьезоэлектрическими текстурами являются текстуры с симметрией С∞, ∞mm, D∞.

Между компонентами векторов поляризации и механических напряжений наблюдается линейная зависимость:

P1=d111F11+d122F22+…+d121F21P2=d211F11+d222F22+…+d221F21

P3=d311F11+d322F22+…+d321F21

где dijk - коэффициенты пропорциональности, так называемые пьезоэлектрические модули; индекс 1-индекс компоненты Р.2 и 3-индексы компонент F. номера индексов соответствуют номерам осей координат.

Важно иметь представление о методах исследования пьезоэлектрических свойств материалов. Из всего набора имеющихся методов, рассмотрим простейшие из них.

Статистические методы исследования

Статический пьезомодуль при сжатии. Пьезомодуль при одноосном сжатии d33 определяют по ГОСТ 12370 80. Сущность метода заключается в измерении заряда, возникающего на поверхности образца при приложении (или снятии) статической нагрузки.

Схема установки для проведения измерений приведена на рис.2. Она состоит из баллистического гальванометра, образцового конденсатора и электродного устройства, в котором между электродами помещают образец цилиндрической формы толщиной 1-3 мм и диаметром 10-15 мм. Электроды наносятся предварительно на поверхность образцов припрессовыванием фольги, напылением металлов в вакууме, в виде электропроводящей краски, пасты. Гальванометр снабжен шунтом, с помощью которого можно регулировать чувствительность установки. Емкость С0 значительно превышает емкость образца и соединительных проводов. Для достижения равномерного распределения нагрузки по поверхности образца рекомендуется верхний электрод делать плавающим или в виде трубки, набитой мелкими шариками и обтянутой снаружи фольгой. Груз накладывают на образец (или снимают) внезапно. Заряд, возникающий на образце, определяют по числу делений, на которое отклонится световой луч от зеркала баллистического гальванометра; шкалу гальванометра предварительно градуируют в Кл/делений. Метод особенно пригоден для определения зарядов при деформации пьезоэлектриков, обладающих довольно значительной проводимостью.