Использование межпредметных связей при изучении композиционных электроактивных материалов в курсе магистратуры

Для определения распределения зарядов по поверхности используют различные качественные и количественные методы Качественный метод-метод цветных порошков - заключается в том, что порошки разных цветов, склонные к электростатическому заряжению, смешивают и напыляют или просто насыпают на поверхность электрета. При этом частицы порошка одного цвета, обладающие склонностью к положительному заряжени

ю, прилипнут к участкам поверхности электрета, обладающим зарядами противоположного знака, а частицы другого порошка, другого цвета, склонные к отрицательному заряжению, прилипнут к участкам поверхности электрета, обладающим положительными зарядами. Плотность порошков на поверхности электрета будет пропорциональна плотности заряда. В качестве порошков наиболее часто используют смесь порошков серы (желтый цвет) и сургуча (красный цвел). Сургуч электризуется положительно, сера отрицательно.

Рис.3. Распределение поверхностной плотности заряда по поверхности термоэлектрета из полиэтилентерефталатной пленки.

Рис.4. Распределение потенциала по обеим (/ и II) поверхностям механоэлектрета и полиметилметакрилата (показание вольтметра в мВ пропорциональны потенциалу поверхности)

На рис. показано распределение зарядов по поверхности термоэлектрета из пленки на основе сополимера тетрафторэтилена с гексафторпропиленом, а на рис.4-по поверхности механоэлектрета из полиметилметакрилата. Видно, что растет σ от центра к краям образца.

Количественный метод определения распределения поверхностной плотности зарядов заключается в измерение σэф при постепенном перемещении образца вблизи измерительного электрода или наоборот, в перемещении измерительных электродов по поверхности образца. Для этой цели используют метод вибрирующего электрода с компенсацией или без нее. В последнем случае прибор предварительно градуируют. Другой метод заключается в периодическом экранировании электрода заземленной шторкой или крыльчаткой.

Распределение зарядов в объеме

Существенным параметром, определяющим качество электрета, является распределение зарядов по объему электрета, перпендикулярно плоскости поверхности. Простейшим способом измерения распределения зарядов в объеме является метод последовательного срезания поверхностных слоев при низких температурах, чтобы исключить спад зарядов. Применение микротома позволяет срезать слои толщиной до 5 мкм. Срезанные слои помещают в цилиндр Фарадея и определяют избыточный заряд, который находится в слое. Поляризацию также можно определить в отдельных слоях методом термодеполяризационных токов.

Для определения распределения заряда в объеме широко используют также метод теплового импульса.

Определение тока термостимулированной деполяризации.

Электретно-термическим анализом (ЭТА) называют метод изучения полимеров, заключающийся в получении электрета и последующем измерении разрядных токов во времени при программируемом нагревании. По зависимости тока от времени определяют параметры релаксации зарядов, величины гетеро- и гомозарядов. Поскольку зависимости тока от времени определяются строением и структурой полимеров, то ЭТА используют для изучения последних, в особенности для исследования молекулярной подвижности в полимерах.

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.

Пьезоэлектрической константой является также е - пьезоэлектрическая константа деформации, равная

е = (дР/дδ)

Отношение e/d = Eу - модуль упругости.

Статические 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.5. Она состоит из баллистического гальванометра, образцового конденсатора и электродного устройства, в котором между электродами пометают 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 пьезо-электриков, обладающих довольно значительной проводимостью.

Рис.5. Схема установки для измерения пьезомодуля d33 с помощью баллистического гальванометра: