в) в возникновении деформаций диэлектрика при приложении к нему электрической разности потенциалов.

г) затрудняюсь ответить.

Лекция на тему: "Электретные свойства полимеров. Пьезоэлектрические свойства полимеров. "

Электретные свойства полимеров

Электрет - это диэлектрик, имеющий на поверхности электрические заряды, длительно сохраняющиеся во времени. Электретные свойства полимеров тесно связаны с электростатическими свойствами, и, по существу, их можно было бы рассматривать вместе. Однако в процессе развития науки об электретах оказалось, что для разработки электретов с высокими параметрами теория электростатических свойств диэлектриков может быть использована только весьма ограниченно, и наоборот именно развитие науки об электретах внесло свой вклад в развитие представлений об электростатических явлениях в диэлектриках. В процессе исследований электретов было найдено так много нового, что оправдано рассмотрение электретных свойств отдельно от электростатических, тем более, что электростатические свойства рассматриваются преимущественно как нечто отрицательное, мешающее производственным процессам, приводящее к пожарам, браку, а электретные - как положительные характеристики, обусловливающие пригодность диэлектрика для изготовления изделий.

Если электростатические заряды возникают преимущественно случайно, то электретные - в результате специальной обработки диэлектрика. В зависимости от технологии получения существуют различные типы электретов:

Термоэлектреты - получают охлаждением предварительно нагретых диэлектриков в электрическом поле высокой напряженности до температур ниже температуры стеклования или отверждения;

криоэлектреты - получают высушиванием раствора диэлектрика в электрическом поле (без предварительного нагревания);

радиационные электреты - получают облучением диэлектриков заряженными частицами (электронами, протонами), а также нейтральными частицами или г-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) на 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 без 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. 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 ф= RC.

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 вид 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.

Методы определения поверхностной плотности зарядов и потенциала поверхности.

К важнейшим характеристикам электретов относятся поверхностная плотность зарядов и время ее релаксации (уменьшения в с раз). Поверхностную плотность зарядов определяют различными методами, из которых важнейшим и наиболее старым является индукционный статический метод, или метод подъемного электрода. Иногда этот метод называют по фамилии автора, его разработавшего, метод Эгучи (или Эгути); метод стандартизован (ГОСТ 25209-82). Сущность метода подъемного электрода заключается в измерении напряжения на образцовом конденсаторе, соединенном с подвижным электродом, на котором индуцируется заряд от заряженной поверхности электрета. Для испытаний используют образцы в виде плоских пластин, дисков, пленок толщиной 0,1-3 мм и диаметром (для дисков) 50 + 0.5 или 25 ± 0.5 мм.

Рис.1. Схема установки для определения у_эф методом подъемного электрода (а) и кассета для пленочного электрета (б):

1 - нижний неподвижный электрод; 2-электрет; 3-верхний подвижный электрод,4 - изолятор; 5 - шток, 6 - штатив,7 - ручка,8 - выключатель,9 - образцовый конденсатор; 10-статический вольтметр.

Испытания проводят следующим образом. Образец помешают на нижний электрод электродного устройства рабочей стороной кверху (при поднятом верхнем электроде). Верхний электрод опускают на образец, замыкают на землю и отключают от нее после чего верхний электрод поднимают и отсчитывают показания на вольтметре. Поверхностную плотность зарядов образцов электретов у_эф (Кл/М²) вычисляют по формуле:

у_эф=VC_об/S

Где (V-напряжение на вольтметре, В; С_об - сумма емкости конденсатора и входной емкости вольтметра и емкости проводов, Ф; S-площадь электродов, м².

Для большей точности измерений верхний электрод снабжают охранным кольцом.

Электретную разность потенциалов (потенциал на поверхности электрета) рассчитывают по формуле:

V_эф= (у_эф/_. е₀е) L,

где е₀ - электрическая постоянная, равная 8,854-10^-12 Ф/м; е - относительная диэлектрическая проницаемость материала электрета, L-толщина электрета, м; если у_эф выражают в нКл/см², a L в мм.

Недостаток метода подъемного электрода заключается в том, что при опускании верхнего электрода и его последующем отрыве от поверхности электрета происходят разряды между поверхностью электрета и электродом и (или) образование дополнительных зарядов вследствие разрыва контакта. Возможно также загрязнение поверхности электрета. Все эти явления искажают действительное значение у_эф. Поэтому иногда электрод опускают не прямо на поверхность, а до определенного зазора между поверхностью и электродом. Для этого к краям электрода прикрепляют шарики или небольшие цилиндры из высококачественных изоляторов высотой до 1 мм.

Другой метод определения у_эф - компенсационный. Сущность метода заключается в измерении напряжения, подаваемого на электроды для компенсации электрического поля, индуцируемого электретом в зазоре электрет - подвижный вибрирующий электрод. По ГОСТ 25209-82 этим методом рекомендуется измерять пленочные образцы диаметром 25 ± 0,5 и 10 ± 0,5 мм и толщиной 0,002-0,100 мм, а также диаметром 5 + 0,2 мм и толщиной 0,002 0,050 мм.

Рис.2. Схема установки для определения электретного потенциала компенсационным методом:

1-втулка-изолятор; 2 - основание; 3-неподвижный электрод; 4 - электрет; 5-кассета: 6-стопорный винт.7-штатив; 8-пружина; 9-селеноид; 10-вгулка; 11-генератор; 12-осинллографический индикатор нуля; 13-источник постоянного напряжения (регулируемый); 14 - вольтметр; 15 - переключатель.

Испытания проводят следующим образом. Образец электрета помещают между электродами так, чтобы сторона электрета с электропроводящим покрытием контактировала с неподвижным электродом. Вибрирующий электрод подводят на расстояние 0.2-1,0 мм к заряженной поверхности электрета. Изменяя величину и полярность компенсирующего напряжения, добываются нулевого показания на осциллографическом индикаторе. Компенсирующее напряжение - электретную разность потенциалов Vэ - записывают в целых единицах Вольт. Поверхностную плотность зарядов (Кл/м²) вычисляют по формуле:

у_эф=е₀еV_э/L

При использовании образцов с приведенными выше размерами и приборов с указанными погрешностями измерений среднеквадратичная погрешность измерения о,* при статическом методе подъемного электрода составляет не более ± 8% от среднего значения измеряемой величины, а при измерениях компенсационным методом не более ± 6%.

Распределение зарядов по поверхности

Эффективность работы приборов с электретами существенно зависит от распределения зарядов по поверхности электретов. Резко неоднородное распределение зарядов после приготовления электретов приводит к преждевременному их спаду из-за компенсации зарядов разного знака и из-за перераспределения их по поверхности до выравнивания. Кроме того, неоднородное распределение зарядов приводит к нестабильности работы и искажению характеристик электретных микрофонов и других изделий.

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 заряжению, 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 у от центра к краям образца.

Количественный метод определения распределения поверхностной плотности зарядов заключается в измерение у_эф 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 д. 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/дд)

Отношение e/d = E_у - 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:

1-образец с электродами.2 - баллистический гальванометр; 3-шунт гальванометра: 4 - переключатель; 5 - источник постоянного напряжения; С₀-образцовый конденсатор; V-вольтметр; R-потенциометр.

Модуль d₃₁ можно измерять также с помощью электрометров-статических вольтметров. Сущность метода заключается в измерении разности потенциалов на поверхности образца при статическом сжатии.

Статический пьезомодуль при растяжении. Метод определения d_3l состоит в измерении разности потенциалов на обеих сторонах образцов при их растяжении при статическом нагружении. Статическая нагрузка может прикладываться внезапно (навешиванием груза) или постепенно (растягиванием образца на разрывной машине).

Рис.6. Схема установки для измерения пьезомодуля d_nпри всестороннем сжатии (сжатым воздухом): 1-образец; 2-электродное устройство; 3-камера; 4 - манометр; 5 - электрометр.

Статический пьезомодуль при всестороннем сжатии. Установка для определения статического пьезомодуля при всестороннем сжатии показана на рис.6. Она состоит из термокриокамеры и вольтметра-электрометра. Камера имеет герметично закрывающуюся крышку, снабженную резиновой прокладкой, патрубок для подачи сжатого воздуха, манометр. вводы с изоляцией из политетрафторэтилена. Электрометр соединяется с камерой экранированным кабелем, имеющим высококачественную изоляцию из полиэтилена. Входное сопротивление вольтметра-электрометра (ВК 2-16, В 7-30) не менее 10'⁵ Ом.

Динамические методы исследования

Одним из существенных недостатков методов исследования пьезоэлектрических свойств полимеров является то, что при измерениях моделируются условия, которые не соответствуют реальным, так как полимерные пьезоэлементы используются для обнаружения и воспроизведения сигналов при более высоких частотах (так, в микрофонах, гидрофонах фиксируются колебания частоты 10² - 10^sГц). Кроме того, при статических испытаниях основную роль играют медленно протекающие процессы, например поляризация Максвелла Вагнера, а также возможны локальные изменения температуры, приводящие к пироэффекту, что вносит дополнительный вклад в измеряемый пьезомодуль. Простейший прибор для определения пьезоэлектрических свойств в динамических условиях представляет собой звукоизолированную камеру, в которой помещен генератор (динамик) и образцовый, предварительно отградуированный, измерительный микрофон, измеряющий интенсивность генерируемого сигнала. Рядом с микрофоном помещают измеряемый образец пьезополимера, снабженный электродами и выводами. Фактически измеряется чувствительность пьезоэлемента как микрофона

Пироэлектрические свойства полимеров

Пироэлектрические свойства характеризуют способность диэлектрика к возникновению разности потенциалов (пиротока) при изменении температуры. Возникновение пироэлектричества в полимерных пьезоэлектриках обусловлено преимущественно изменением геометрических размеров образцов вследствие теплового расширения при нагревании и соответственно изменением поверхностной плотности зарядов в результате изменения плотности поляризации (остаточной).

Пироэлектрические свойства полимерных пьезоэлектриков определяют обычно двумя методами - статическим и динамическим.

Статический метод заключается в измерении пиротока (К/с) при нагревании предварительно поляризованного пьезополимера с постоянной скоростью. Аппаратура для проведения измерений та же, что и для измерения тока термостимулированной деполяризации. Для того чтобы исключить деполяризационную составляющую, ток измеряют несколько раз (не менее трех) в одном и том же температурном интервале, нагревая и охлаждая образец (например, от 20 до 70 'С). Пирокоэффициенг (Кл/см²К) рассчитывают по формуле: р = i/b.

Динамический метод заключается в измерении сигнала переменного напряжения от обкладок конденсатора - тонкого образца, на одну сторону которого (покрытую коллоидным графитом для лучшего поглощения тепла) воздействуют тепловые импульсы постоянной частоты (они настолько малы, что почти не изменяют температуру образца). Импульсы подаются обычно от луча лазера, перекрываемого периодически вращающейся крыльчаткой. Переменный ток от образца усиливается избирательным усилителем переменного тока, настроенным на частоту импульсов. Показания усилителя фиксируются. Для градуировки прибора используют образец с известным пирокоэффициентом, определенным, например, статическим методом.

После проведенной лекции, опрос в виде тестов, …

1. Электретные заряды возникают:

а) спонтанно.

б) в результате специальной обработки диэлектрика.

в) в результате прессования диэлектрика.

г) затрудняюсь ответить.

2. Стабильность электретных зарядов обеспечивается:

а) наличием противозарядов на противоположно заряженной поверхности или на электродах, находящихся вблизи заряженной поверхности.

б) низкой электропроводностью электретных материалов.

в) большим временем релаксации дипольной ориентации.

г) затрудняюсь ответить.

3. Недостаток метода подъемного электрода заключается:

а) при опускании верхнего электрода и его последующем отрыве от поверхности электрета происходят разряды между поверхностью электрета и электродом.

б) образование дополнительных зарядов вследствие разрыва контакта.

в) загрязнение поверхности электрета.

г) затрудняюсь ответить

4. Для определения распределения зарядов по поверхности используют:

а) компенсационный метод.

б) качественные и количественные методы.

в) метод подъемного электрода.

г) затрудняюсь ответить

5. Для определения распределения заряда в объеме используют:

а) метод теплового импульса.

б) количественный метод.

в) компенсационный метод.

г) затрудняюсь ответить.

6. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается:

а) в измерении напряжения на образцовом конденсаторе.

б) в возникновении электрических зарядов на поверхности диэлектрика и электрической поляризации

в) в возникновении деформаций диэлектрика при приложении к нему электрической разности потенциалов.

г) затрудняюсь ответить.

7. Пьезоэлектрическая константа деформации, равна:

а) е = (?P/?д)

б) е = (?д/?P)

в) е = (?P)

г) затрудняюсь ответить.

8. Пироэлектрические свойства полимерных пьезоэлектриков определяют:

а) компенсационным методом.

б) статистическим методом.

в) динамическим методом.

г) затрудняюсь ответить.

Размещено на Allbest.ru