Transcript Σιδηροηλεκτρικά πολυμερή

Σεμινάριο Φυσικής
ΣΙΔΗΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΠΟΛΥΜΕΡΗ
Κατσαμπρόκου Κάριν
Επιβλ. Καθηγητής: Πίσσης Π.
Ακαδ. Έτος: 2009-2010
Περιεχόμενα
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Πολυμερή και βασικές έννοιες
Σιδηροηλεκτρικά υλικά
ΣΙΔΗΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΠΟΛΥΜΕΡΗ
Ιστορική αναδρομή
Δομή
Αναστροφή πόλωσης
Χρόνος αναστροφής
Παράγοντες που επηρεάζουν την αναστροφή
Μηχανισμός πόλωσης
Αλλαγή φάσης
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ
Εισαγωγή
Τι είναι τα πολυμερή;
είναι χημικές ενώσεις που αποτελούνται από επαναλαμβανόμενες
δομικές μονάδες σχηματίζοντας αλυσίδες
Η δομική μονάδα ονομάζεται μονομερές, έστω -Α-Α-Α-Α-Α-Α-Α-Α-Α- πολυμερές
Συμπολυμερή
όταν το υλικό αποτελείται από δύο ή περισσότερα μονομερή τότε
ονομάζεται συμπολυμερές
Α & Β μονομερή

-Α-Α-Β-Β-Α- συμπολυμερές
Κρυσταλλικότητα
Τα πολυμερή είναι κυρίως πολυκρυσταλλικά υλικά με βαθμό
κρυσταλλικότητας που κυμαίνεται από 0% (άμορφο) έως 95% (σχεδόν
κρυσταλλικό)
Γνωστά πολυμερή
Πλαστικά με ευρεία χρήση στη βιομηχανία
(συσκευασία τροφίμων, σωλήνες κτλ.)
Νάιλον
Πλέξιγκλας
αλλά και φυσικά πολυμερή όπως
καουτσούκ, κερατίνη, πρωτεΐνες κ.ά.
Ενεργά Διηλεκτρικά
Η πόλωση τους δεν οφείλεται στην παρουσία εξωτερικού ηλεκτρ. πεδίου
Πιεζοηλεκτρικά: Πόλωση λόγω εφαρμογής μηχανικής τάσης
Πυροηλεκτρικά: Πόλωση λόγω μεταβολής της θερμοκρασίας
Σιδηροηλεκτρικά: Αυθόρμητη πόλωση με αντιστροφή της σε πεδίο
Σιδηροηλεκτρικά Υλικά
Είναι ταυτόχρονα και πιεζοηλεκτρικά και πυροηλεκτρικά
Διατηρούν τις σιδηροηλεκτρικές ιδιότητες μέχρι μια θερμοκρασία, την
θερμοκρασία Curie ΤC
Για Τ>ΤC
παραηλεκτρική φάση
Με την εφαρμογή εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου παρατηρείται
υστέρηση της πόλωσης ως προς το ηλεκτρικό πεδίο
Βρόγχος υστέρησης
Η εξάρτηση της πόλωσης (Ρ) από το
ηλεκτρ. πεδίο (Ε) ακολουθεί την καμπύλη
του σχήματος
Για μικρά Ε έχουμε γραμμική εξάρτηση
της Ρ (ΟΑ)
Αύξηση του Ε οδηγεί σε γρήγορη αύξηση
της Ρ και προσανατολισμό της
παράλληλα με το πεδίο (ΑΒ)
Περαιτέρω αύξηση οδηγεί σε κορεσμό (ΒC)
Αν μειώσουμε το Ε η Ρ δεν θα ακολουθήσει την αρχική καμπύλη (CD)
και θα έχουμε αντιστροφή του διανύσματος της πόλωσης
ΟΑΒ: παρθενική καμπύλη για υλικό χωρίς πόλωση
PS : αυθόρμητη πόλωση του υλικού
Pr : παραμένουσα πόλωση για Ε=0
EC : συνεκτικό πεδίο για Ρ=0
Σιδηροηλεκτρικά Πολυμερή
Ιστορική Αναδρομή
Το πρώτο πολυμερές που βρέθηκε να παρουσιάζει σιδηροηλεκτρικές
ιδιότητες είναι το πολυβινυλοφθορίδιο (PVDF).
Το 1969 παρατηρήθηκε πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο σε δοκίμια του και
αργότερα πυροηλεκτρικό φαινόμενο και βρόγχος υστέρησης. Όμως
υπήρχε απουσία μετάβασης φάσης.
Αργότερα με την κατασκευή των συμπολυμερών του βινυλοφθοριδίου
(VDF) με τριφθοροαιθυλένιο (TrFE) ή τετραφθοροαιθυλένιο (TeFE)
έγινε παρατηρήσιμη η αλλαγή φάσης.
Τα συμπολυμερή VDF/TrFE και VDF/TeFE πλεονεκτούν έναντι του
ομοπολυμερούς PVDF στις εφαρμογές γιατί μπορούμε να πετύχουμε:
• Παρατήρηση της θερμοκρασίας Curie
• Μεγαλύτερος βαθμός κρυσταλλικότητας
• Παρασκευή υμενίων κατευθείαν από το τήγμα ή το διάλυμα
Δομή
• Η δομική μονάδα του PVDF είναι η CH2CF2
• Παρουσιάζει πολυμορφισμό στη δομή του με σημαντικότερες τις
φάσεις α και β (εικόνες)
• Περιγράφονται με το μοντέλο της all-trans διάταξης
• Κατά την ψύξη το τήγμα κρυσταλλώνεται στην φάση α
• Μετατροπή της α φάσης σε β με εφελκυσμό
• Προσθήκη TrFE ή TeFE στο τήγμα προκαλεί κατευθείαν
κρυστάλλωση στην φάση β, με τυχαία κατανομή των μονομερών
κατά μήκος της αλυσίδας εξαιτίας της ομοιότητας μεγέθους τους
Αναστροφή πόλωσης
• Μελετάται με μετρήσεις μεταβατικού ρεύματος στην περιοχή του
χρόνου
• Μια τάση με μορφή βήματος εφαρμόζεται στο δοκίμιο και μετράται
η απόκριση του συναρτήσει του χρόνου
• Η πλήρης αναστροφή πόλωσης στο PVDF γίνεται σε πολύ υψηλά
πεδία (> 140 ΜV/ m) και σε μικρό χρόνο (μsec), γι’αυτό
απαιτούνται πολύ γρήγορες μετρήσεις της απόκρισης
Υμένιο VDF(65)/TrFE(35)
πάχους 1 μm σε 20
βαθμούς Κελσίου.
Διαγράμματα της ηλεκτρ.
μετατόπισης και της
παραγώγου της
συναρτήσει του
λογάριθμου του χρόνου
Χρόνος αναστροφής τ
S
• Είναι ο χρόνος που απαιτείται για να ολοκληρωθεί η διαδικασία
της αναστροφής της πόλωσης
• Εξαρτάται από την ένταση Ε του ηλεκτρικού πεδίου,
ακολουθώντας είτε έναν εκθετικό νόμο, είτε μια σχέση τύπου
δύναμης
Σύγκριση του χρόνου
αναστροφής διάφορων
σιδηροηλεκτρικών
υλικών
Παράγοντες που επηρεάζουν
την αναστροφή
~
~
~
~
~
Θερμοκρασία
Κρυσταλλικότητα
Πάχος
Φορτία χώρου
Σύνθεση
Μηχανισμός πόλωσης
Ένα μοντέλο που έχει υιοθετηθεί για την περιγραφή της
αντιστροφής της πόλωσης είναι αυτό της είναι αυτό της πυρηνικής
ανάπτυξης (nucleation growth mechanism)
Γίνεται σταδιακά και όχι στιγμιαία σύμφωνα με τα παρακάτω βήματα:
1)
Σχηματισμός πυρήνων περιοχών αντίθετης πόλωσης
2)
Ανάπτυξη περιοχών
3)
Πλευρική κίνηση τοιχωμάτων
4)
Συγχώνευση περιοχών
Αλλαγή φάσης
Η αλλαγή από την σιδηροηλεκτρική
στην παραηλεκτρική φάση επιφέρει
αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του
υλικού
Απεικόνιση της συμπεριφοράς ενός
συμπολυμερούς VDF(52)/TrFE(48)
κατά την αλλαγή φάσης που γίνεται
στην περιοχή θερμοκρασιών 65-80
βαθμούς Κελσίου
Διαγράμματα της παραμένουσας
πόλωσης, της διηλεκτρικής σταθεράς,
του συντελεστή θερμικής διαστολής,
του μέτρου ελαστικότητας και της
ειδικής θερμότητας συναρτήσει της
θερμοκρασίας
Εφαρμογές
Υδρόφωνα
Περιέχουν ένα λεπτό φύλλο PVDF που μετρά την
ακουστική πίεση του ηχητικού κύματος και μέσω
ηλεκτροδίων την μετατρέπουν σε ηλεκτρικό σήμα.
Πλεονεκτήματα του PVDF:
~ έχει ακουστική αντίσταση παρόμοια με του νερού 
μπορεί να βρίσκεται μέσα στο ακουστικό πεδίο χωρίς να
το επηρεάζει
~ μικρή πυκνότητα και μεγάλη ελαστικότητα  μείωση
του θορύβου
~ μεγάλο εύρος συχνοτήτων
Εφαρμογές:
Ωκεανογραφία
Μελέτη θαλάσσιων θηλαστικών
Εντοπισμό υποβρύχιων αντικειμένων
Ηχεία και ακουστικά
Το PVDF χρησιμοποιείται κυρίως σε ηχεία
tweeter (υψηλών συχνοτήτων)
Αποτελούνται από έναν λεπτό φύλλο
PVDF σε συνδυασμό με ένα μηχανικό
διάφραγμα, μετατρέποντας ένα ηλεκτρικό
σήμα σε μηχανικό (ακουστικό) και
αντίστροφα
~ Πλεονεκτήματα: μεγάλη ευαισθησία στην
πίεση, μικρή πυκνότητα, χαμηλή
ακουστική αντίσταση, ελαστικότητα,
σκληρότητα και χαμηλό κόστος
~ Μειονεκτήματα: φτωχή σταθερότητα,
χαμηλό σημείο τήξης
Συσκευές μέτρησης
Διάφορες συσκευές μέτρησης και αισθητήρες
έχουν αναπτυχθεί βασισμένες στις
πιεζοηλεκτρικές, πυροηλεκτρικές και
σιδηροηλεκτρικές ιδιότητες του PVDF.
Κάποιες από αυτές είναι:
~ θερμικοί ανιχνευτές
~ δείκτες μηχανικής τάσης και έντασης
~ ανιχνευτές αερίων
~ ανιχνευτές διαταραχών
~ αισθητήρες ακτινοβολίας
~ επιταχυνσιόμετρα
Ιατρικές εφαρμογές
Βασίζονται στις ηλεκτρομηχανικές ιδιότητες του PVDF
~ Πλεονεκτήματα: ηλεκτρομηχανική αποδοτικότητα, εύκολη
διαμόρφωση σε βιολογικές δομές, χαμηλό κόστος, μηχανική αντίσταση
παρόμοια με αυτή του ανθρώπινου ιστού, πολύ μικρή απορρόφηση
νερού, μη τοξικό
~ Μειονεκτήματα: απουσία αντίδρασης στο συνεχές ρεύμα (DC),
μεγάλη ηλεκτρική αντίσταση
Εφαρμογές:
• συστήματα απεικόνισης
• αισθητήρες με εφαρμογή σε μετρήσεις της πίεσης του αίματος, της
ροής υγρών, των χτύπων της καρδιάς, της επαφής μαλακών ιστών
• άκρα καθετήρων και εμφυτευμάτων για καρδιοαγγειακά και
πνευμονικά συστήματα
Ρομποτική
Εφαρμογές του PVDF σε συστήματα ρομποτικής αφής και
τηλεχειρουργικής τα οποία περιλαμβάνουν:
~
~
~
~
ανιχνευτές πίεσης
απεικονίσεις αντικειμένων
δυναμική επιφανειών
περιβάλλοντα πολλαπλών
ανιχνευτικών διατάξεων
 Πλεονεκτήματα:
χαμηλός θόρυβος
χωρική διακριτική ικανότητα
γρήγορη ανταπόκριση
χαμηλό κόστος
Βιβλιογραφία
• Ferroelectric properties of Vinylidene Fluoride Copolymers by
Furukawa T. Journal “Phase transitions”, 1989 vol. 18
• Σημειώσεις Κεραμικά – Διηλεκτρικά, Πίσσης Π., Ράπτης Κ.
• Ferroelectric polymers, google books
• www.wikipedia.org