ΞΑΛΔΞΗΠΡΖΚΗΝ ΞΑΡΟΥΛ ΓΗΑΡΚΖΚΑΡΘΝ ΞΟΝΓΟΑΚΚΑ ΚΔΡΑΞΡΣΗΑΘΥΛ ΠΞΝΓΥΛ «ΔΞΗΠΡΖΚΖ & ΡΔΣΛΝΙΝΓΗΑ ΡΥΛ ΞΝΙΚΔΟΥΛ» ΓΗΑΡΟΗΒΖ ΔΗΓΗΘΔΠΖΠ

Transcript

1 ΞΑΛΔΞΗΠΡΖΚΗΝ ΞΑΡΟΥΛ ΓΗΑΡΚΖΚΑΡΘΝ ΞΟΝΓΟΑΚΚΑ ΚΔΡΑΞΡΣΗΑΘΥΛ ΠΞΝΓΥΛ «ΔΞΗΠΡΖΚΖ & ΡΔΣΛΝΙΝΓΗΑ ΡΥΛ ΞΝΙΚΔΟΥΛ» ΓΗΑΡΟΗΒΖ ΔΗΓΗΘΔΠΖΠ ΑΛΑΞΡΜΖ, ΣΑΟΑΘΡΖΟΗΠΚΝΠ ΘΑΗ ΙΔΗΡΝΟΓΗΘΖ ΠΚΞΔΟΗΦΝΟΑ ΠΛΘΔΡΥΛ ΠΠΡΖΚΑΡΥΛ ΞΝΙΚΔΟΗΘΖΠ ΚΖΡΟΑΠ ΛΑΛΝΠΥΚΑΡΗΓΗΥΛ ΝΜΔΗΓΗΝ TOY ΤΔΓΑΟΓΟΝ (ZnO) ΘΑΗ ΘΑΟΒΗΓΗΝ ΡΝ ΡΗΡΑΛΗΝ (TiC) Καζηνπδάθεο Γεώξγηνο Α.Κ. 161 Δπηβιέπσλ θαζεγεηήο: Γ. Σ. Ταξξάο Κάξηεο 2013, Ξάηξα

2 ii

3 ΞΔΟΗΔΣΝΚΔΛΑ ΘΔΦΑΙΑΗΝ 1 Ν : ΠΛΘΔΡΑ ΙΗΘΑ 1.1 Δηζαγσγή Ηζηνξηθή εμέιημε ζύλζεησλ πιηθώλ Πύλζεηα πιηθά Κνξθνινγία θαη ηαμηλόκεζε ζύλζεησλ πιηθώλ Λάλνζύλζεηα πιηθά Ηδηόηεηεο λαλνζύλζεησλ πιηθώλ Δγθιείζκαηα ησλ λαλνζύλζεησλ 1.7 βξηδηθά ζύλζεηα πιηθά Κεραληζκνί πξόζθπζεο ζηε δηεπηθάλεηα κήηξαο εγθιείζκαηνο Δθαξκνγέο λαλνζύλζεησλ πιηθώλ 14 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 2 Ν : ΘΔΥΟΗΑ ΓΗΖΙΔΘΡΟΗΘΥΛ 2.1 Γηειεθηξηθά πιηθά Ξόισζε θαη Ξνισζηκόηεηα Ζιεθηξηθή δηαπεξαηόηεηα Απόθξηζε ησλ δηειεθηξηθώλ πιηθώλ ζε ελαιιαζζόκελν πεδίν Ζιεθηξηθή Αγσγηκόηεηα 30 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 3 O : ΔΛΔΟΓΑ ΓΗΖΙΔΘΡΟΗΘΑ ΘΑΗ ΔΦΖ ΠΠΡΖΚΑΡΑ 3.1 Δλεξγά δηειεθηξηθά Ξηεδνειεθηξηθά πιηθά Δηζαγσγή ζηα Δπθπή πιηθά Δπθπή πιηθά Δθαξκνγέο Λαλνδηειεθηξηθά πιηθά 40 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 4 Ν : ΖΙΔΘΡΟΗΘΖ ΠΚΞΔΟΗΦΝΟΑ ΠΛΘΔΡΥΛ ΙΗΘΥΛ ΞΝΙΚΔΟΗΘΖΠ ΚΖΡΟΑΠ 4.1 Δηζαγσγή Γηειεθηξηθή ραιάξσζε ζύλζεησλ πιηθώλ πνιπκεξηθήο κήηξαο Ρξόπνη ραιάξσζεο πνιπκεξηθήο κήηξαο Γηεξγαζίεο ραιάξσζεο εληζρπηηθήο θάζεο 45 iii

4 4.5 Ξόισζε ειεθηξνδίσλ Φνξκαιηζκόο ειεθηξηθνύ κέηξνπ Ζιεθηξηθή αγσγηκόηεηα Δπίδξαζε ηεο θαηαλνκήο ρξόλσλ ραιάξσζεο Πηαηηζηηθά κίγκαηα 52 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 5 Ν : ΞΔΗΟΑΚΑΡΗΘΝ ΚΔΟΝΠ 5.1 Δηζαγσγή ιηθά πεηξάκαηνο Γηαδηθαζία παξαζθεπήο δνθηκίσλ Γηειεθηξηθόο ραξαθηεξηζκόο Νγθνκεηξηθά θιάζκαηα Γηαθνξηθή ζεξκηδνκεηξία ζάξσζεο (Differential Scanning Calorimetry, DSC) Κνξθνινγηθόο ραξαθηεξηζκόο 68 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 6 O : ΞΔΗΟΑΚΑΡΗΘΑ ΑΞΝΡΔΙΔΠΚΑΡΑ 6.1 Κνξθνινγηθόο Σαξαθηεξηζκόο Γηειεθηξηθόο Σαξαθηεξηζκόο Θαζαξή Δπνμεηδηθή Οεηίλε Πθόλε ZnO Λαλνζύλζεηα Δπνμεηδηθήο Οεηίλεο ZnO Λαλνζύλζεηα Δπνμεηδηθήο Οεηίλεο ZnO + TiC Πρνιηαζκόο Γηαγξακκάησλ Θεξκηθόο Σαξαθηεξηζκόο 130 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 7 O : ΠΓΘΟΗΡΗΘΑ ΓΗΑΓΟΑΚΚΑΡΑ: ΠΕΖΡΖΠΖ ΑΞΝΡΔΙΔΠΚΑΡΥΛ 7.1 Ππγθξηηηθά δηαγξάκκαηα ζπλαξηήζεη ηεο ζπρλόηεηαο γηα ζηαζεξέο ζεξκνθξαζίεο γηα ηα λαλνζύλζεηα ζε ZnO Ππγθξηηηθά δηαγξάκκαηα ε = F(log f) γηα ηα λαλνζύλζεηα ζε ZnO Ππγθξηηηθά δηαγξάκκαηα M = F(log f) γηα ηα λαλνζύλζεηα ζε ZnO Ππγθξηηηθά δηαγξάκκαηα tan(δ)= F(log f) γηα ηα λαλνζύλζεηα ζε ZnO 138 iv

5 7.2 Ππγθξηηηθά δηαγξάκκαηα ζπλαξηήζεη ηεο ζπρλόηεηαο γηα ζηαζεξέο ζεξκνθξαζίεο γηα ηα πβξηδηθά λαλνζύλζεηα ζε ZnO TiC Ππγθξηηηθά δηαγξάκκαηα ε = F(log f) γηα ηα πβξηδηθά λαλνζύλζεηα, κε ζηαζεξή πεξηεθηηθόηεηα 3 phr ζε ZnO θαη κεηαβιεηή πεξηεθηηθόηεηα 0, 3, 5, 7 phr ζε TiC Ππγθξηηηθά δηαγξάκκαηα ε = F(log f) γηα ηα πβξηδηθά λαλνζύλζεηα, κε ζηαζεξή πεξηεθηηθόηεηα 3 phr ζε TiC θαη κεηαβιεηή πεξηεθηηθόηεηα 0, 3, 5, 7 phr ζε ZnO Ππγθξηηηθά δηαγξάκκαηα ε = F(log f) γηα ηα πβξηδηθά λαλνζύλζεηα, κε ζηαζεξή πεξηεθηηθόηεηα 7 phr ζε ZnO θαη κεηαβιεηή πεξηεθηηθόηεηα 0, 3, 5, 7 phr ζε TiC Ππγθξηηηθά δηαγξάκκαηα ε = F(log f) γηα ηα πβξηδηθά λαλνζύλζεηα, κε ζηαζεξή πεξηεθηηθόηεηα 7 phr ζε TiC θαη κεηαβιεηή πεξηεθηηθόηεηα 0, 3, 5, 7 phr ζε ZnO Ππγθξηηηθά δηαγξάκκαηα M = F(log f) γηα ηα πβξηδηθά λαλνζύλζεηα, κε ζηαζεξή πεξηεθηηθόηεηα 3 phr ζε ZnO θαη κεηαβιεηή πεξηεθηηθόηεηα 0, 3, 5, 7 phr ζε TiC Ππγθξηηηθά δηαγξάκκαηα Κ = F(log f) γηα ηα πβξηδηθά λαλνζύλζεηα, κε ζηαζεξή πεξηεθηηθόηεηα 3 phr ζε TiC θαη κεηαβιεηή πεξηεθηηθόηεηα 0, 3, 5, 7 phr ζε ZnO Ππγθξηηηθά δηαγξάκκαηα Κ = F(log f) γηα ηα πβξηδηθά λαλνζύλζεηα, κε ζηαζεξή πεξηεθηηθόηεηα 7 phr ζε ZnO θαη κεηαβιεηή πεξηεθηηθόηεηα 0, 3, 5, 7 phr ζε TiC Ππγθξηηηθά δηαγξάκκαηα Κ = F(log f) γηα ηα πβξηδηθά λαλνζύλζεηα, κε ζηαζεξή πεξηεθηηθόηεηα 7 phr ζε TiC θαη κεηαβιεηή πεξηεθηηθόηεηα 0, 3, 5, 7 phr ζε ZnO Ππγθξηηηθά δηαγξάκκαηα tan(δ) = F(log f) γηα ηα πβξηδηθά λαλνζύλζεηα Ππγθξηηηθά δηαγξάκκαηα ζπλαξηήζεη ηεο ζεξκνθξαζίαο γηα ζηαζεξέο ζπρλόηεηεο γηα λαλνζύλζεηα κε ZnO Ππγθξηηηθά δηαγξάκκαηα ε = F(Ρ) γηα ηα λαλνζύλζεηα κε ZnO Ππγθξηηηθά δηαγξάκκαηα ζπλαξηήζεη ηεο ζεξκνθξαζίαο γηα ζηαζεξέο ζπρλόηεηεο γηα ηα πβξηδηθά λαλνζύλζεηα ζε ZnO TiC Ππγθξηηηθά δηαγξάκκαηα ε = F(Ρ) γηα ηα πβξηδηθά λαλνζύλζεηα, κε ζηαζεξή πεξηεθηηθόηεηα 3 phr ζε Zno θαη κεηαβιεηή πεξηεθηηθόηεηα 0, 3, 5, 7 phr ζε TiC Ππγθξηηηθά δηαγξάκκαηα ε = F(Ρ) γηα ηα πβξηδηθά λαλνζύλζεηα, κε ζηαζεξή πεξηεθηηθόηεηα 3 phr ζε TiC θαη κεηαβιεηή πεξηεθηηθόηεηα 0, 3, 5, 7 phr ζε ZnO 159 v

6 7.4.3 Ππγθξηηηθά δηαγξάκκαηα ε = F(Ρ) γηα ηα πβξηδηθά λαλνζύλζεηα, κε ζηαζεξή πεξηεθηηθόηεηα 7 phr ζε ZnO θαη κεηαβιεηή πεξηεθηηθόηεηα 0, 3, 5, 7 phr ζε TiC Ππγθξηηηθά δηαγξάκκαηα ε = F(Ρ) γηα ηα πβξηδηθά λαλνζύλζεηα, κε ζηαζεξή πεξηεθηηθόηεηα 7 phr ζε TiC θαη κεηαβιεηή πεξηεθηηθόηεηα 0, 3, 5, 7 phr ζε ZnO Ππγθξηηηθά δηαγξάκκαηα tan(δ) = F(Ρ) γηα ηα πβξηδηθά λαλνζύλζεηα, κε ζηαζεξή πεξηεθηηθόηεηα 3 phr ζε ZnΝ θαη κεηαβιεηή πεξηεθηηθόηεηα 0, 3, 5, 7 phr ζε TiC Ππγθξηηηθά δηαγξάκκαηα tan(δ) = F(Ρ) γηα ηα πβξηδηθά λαλνζύλζεηα, κε ζηαζεξή πεξηεθηηθόηεηα 3 phr ζε TiC θαη κεηαβιεηή πεξηεθηηθόηεηα 0, 3, 5, 7 phr ζε ZnO Ππγθξηηηθά δηαγξάκκαηα tan(δ) = F(Ρ) γηα ηα πβξηδηθά λαλνζύλζεηα, κε ζηαζεξή πεξηεθηηθόηεηα 7 phr ζε ZnO θαη κεηαβιεηή πεξηεθηηθόηεηα 0, 3, 5, 7 phr ζε TiC Ππγθξηηηθά δηαγξάκκαηα tan(δ) = F(Ρ) γηα ηα πβξηδηθά λαλνζύλζεηα, κε ζηαζεξή πεξηεθηηθόηεηα 7 phr ζε TiC θαη κεηαβιεηή πεξηεθηηθόηεηα 0, 3, 5, 7 phr ζε ZnO 166 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 8 O : ΙΔΗΡΝΟΓΗΘΖ ΠΚΞΔΟΗΦΝΟΑ ΓΛΑΚΗΘΖ ΣΑΙΑΟΥΠΔΥΛ : ΠΕΖΡΖΠΖ ΑΞΝΡΔΙΔΠΚΑΡΥΛ 8.1 Γηαγξάκκαηα Arrhenius Ξπθλόηεηα Δλέξγεηαο Ππγθξηηηθά δηαγξάκκαηα <u> = F(log f) θαη <u>=f(t) γηα ηα λαλνζύλζεηα, κε πεξηεθηηθόηεηεο 0, 3, 5, 7,, 12 phr ζε ZnO Ππγθξηηηθά δηαγξάκκαηα <u> = F (log f) θαη <u>=f (T) γηα ηα πβξηδηθά λαλνζύλζεηα Ππλάξηεζε δηειεθηξηθήο ελίζρπζεο Ππγθξηηηθά δηαγξάκκαηα G = F(log f) θαη G=F(T) γηα ηα λαλνζύλζεηα, κε πεξηεθηηθόηεηεο 0, 3, 5, 7,, 12 phr ζε ZnO Ππγθξηηηθά δηαγξάκκαηα G = F (log f) θαη G=F (T) γηα ηα πβξηδηθά λαλνζύλζεηα Γηεπηθαλεηαθόο ρώξνο - πξόζθπζε 187 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 9 O : ΠΚΞΔΟΑΠΚΑΡΑ 190 ΒΗΒΙΗΝΓΟΑΦΗΑ vi

7 ΞΟΝΙΝΓΝΠ Ζ παξνύζα δηαηξηβή εηδίθεπζεο εθπνλήζεθε ζηα πιαίζηα ηνπ Γηαηκεκαηηθνύ Ξξνγξάκκαηνο Κεηαπηπρηαθώλ Ππνπδώλ ζηελ Δπηζηήκε θαη Ρερλνινγία ησλ Ξνιπκεξώλ. Ξξαγκαηνπνηήζεθε ζηα Δξγαζηήξηα ηνπ Ρκήκαηνο Δπηζηήκεο ησλ ιηθώλ ηνπ Ξαλεπηζηεκίνπ Ξαηξώλ, θαηά ηε ρξνληθή πεξίνδν , ππό ηελ επίβιεςε ηνπ θ. Γ. Σ. Ταξξά, Δπίθνπξνπ Θαζεγεηή ηνπ Ρκήκαηνο Δπηζηήκεο ησλ ιηθώλ. Πην ζεκείν απηό ζα ήζεια λα επραξηζηήζσ, ηνλ θ. Γ. Σ. Ταξξά γηα ηελ αλάζεζε ηνπ ζέκαηνο, ηελ νπζηαζηηθή θαη επνηθνδνκεηηθή θαζνδήγεζε, ηελ παξαθνινύζεζε, ηελ ζπλεξγαζία ζε όιε ηελ δηάξθεηα εθπόλεζεο ηεο δηαηξηβήο εηδίθεπζεο θαη ηδηαίηεξα, ηόζν γηα ηηο επηζηεκνληθέο ηνπ ππνδείμεηο, όζν θαη ηελ εζηθή ππνζηήξημε θαηά ηε δηάξθεηα δηεμαγσγήο ηεο εξεπλεηηθήο δνπιεηάο αιιά θαη ηεο ζπγγξαθήο ηεο εξγαζίαο. Δπραξηζηώ επίζεο ηδηαίηεξα ηνλ Θαζεγεηή ηνπ Ρκήκαηνο Φπζηθήο θ. Σξηζηόθνξν Θξνληεξά θαη ηνλ Δπίθνπξν Θαζεγεηή θ. Πσηήξην Κπαζθνύηα ηνπ Ρκήκαηνο Δπηζηήκεο ιηθώλ γηα ηελ άςνγε ζπλεξγαζία θαη ηε βνήζεηά ηνπο θαζ όιε ηε δηάξθεηα ηεο εθπόλεζεο ηεο παξνύζαο κεηαπηπρηαθήο εξγαζίαο. Αηζζάλνκαη, επίζεο ηελ αλάγθε λα επραξηζηήζσ ηνλ θύξην Δπάγγειν Θαξνύηζν γηα ηελ βνήζεηα ηνπ, θαζώο θαη όινπο ηνπο θαζεγεηέο ηνπ Κεηαπηπρηαθνύ Ξξνγξάκκαηνο Ππνπδώλ γηα ηηο επηζηεκνληθέο βάζεηο πνπ κνπ έδσζαλ. Δπίζεο, ζα ήζεια λα επραξηζηήζσ ηνλ ππνςήθην δηδάθηνξα Αλαζηάζην Ξαηζίδε, θαη ηνλ ζπκθνηηεηή θαη θίιν Διεπζέξην Θνπθάθε, κε ηνπο νπνίνπο κνηξαζηήθακε ηνλ ρώξν ηνπ εξγαζηεξίνπ θαζώο θαη γηα ηελ άςνγε ζπλεξγαζία θαη βνήζεηα, πνπ κνπ πξνζέθεξαλ θαηά ηε δηάξθεηα εθπόλεζεο ηεο παξνύζαο δηαηξηβήο. Ρέινο, έλα κεγάιν επραξηζηώ ζηελ νηθνγέλεηα κνπ, γηα ηελ ππνκνλή ηνπο, ηελ εζηθή θαη νηθνλνκηθή ππνζηήξημε όισλ απηώλ ησλ ρξόλσλ. vii

8 ΞΔΟΗΙΖΤΖ Έλαο ζπλαξπαζηηθόο ηνκέαο ηεο ζύγρξνλεο επηζηεκνληθήο έξεπλαο είλαη απηόο ησλ λαλν-ζύλζεησλ πιηθώλ. Ρν πεδίν απηό πεξηιακβάλεη ηε κειέηε πνιπθαζηθώλ πιηθώλ, ζηα νπνία κία ή πεξηζζόηεξεο από ηηο ρσξηθέο δηαζηάζεηο θάπνηαο θάζεο βξίζθεηαη ζηελ πεξηνρή λαλνκέηξσλ ( -9 m). Απηό πνπ μερσξίδεη ηα λαλνζύλζεηα από ηα άιια ζπκβαηηθά ζύλζεηα πιηθά είλαη ε ηθαλόηεηά ηνπο λα ζπλδπάδνπλ ηδηόηεηεο, νη νπνίεο είλαη απαγνξεπηηθέο γηα ηα παξαδνζηαθά πιηθά, αιιά θαη ε ιεηηνπξγηθόηεηα πνπ παξνπζηάδνπλ. Ζ εηζαγσγή ησλ λαλνζύλζεησλ πιηθώλ θαη νη πνιιέο επηζηεκνληθέο κειέηεο πνπ έγηλαλ ηα ηειεπηαία ρξόληα ζηόρεπαλ θαη πξνζδνθνύζαλ ζε κία δξακαηηθή βειηίσζε ησλ κεραληθώλ ηνπο ηδηνηήησλ, πξάγκα πνπ πνιιέο θνξέο δελ επαιεζεύηεθε. Πηηο κέξεο καο ππάξρεη έλα απμαλόκελν ελδηαθέξνλ γηα ηε κειέηε ηεο δηειεθηξηθήο ζπκπεξηθνξάο θαη αγσγηκόηεηαο ησλ λαλνζύλζεησλ πνιπκεξηθήο κήηξαο κε αλόξγαλα λάλν-εγθιείζκαηα. Ρα λαλνζύλζεηα ζπζηήκαηα πνιπκεξηθήο κήηξαο αλόξγαλσλ λάλνεγθιεηζκάησλ αλακέλεηαη λα απνηειέζνπλ κηα λέα γεληά πςεινύ ηερλνινγηθνύ ελδηαθέξνληνο πιηθώλ πνπ ζα επηδεηθλύνπλ ιεηηνπξγηθέο ηδηόηεηεο ιόγσ ηεο κεηαβαιιόκελεο πόισζεο ησλ θεξακηθώλ λαλνζσκαηηδίσλ. Ζ δηαζπνξά θεξακηθώλ εγθιεηζκάησλ ζην εζσηεξηθό πνιπκεξηθήο κήηξαο πξνζδίδεη ζηα ζύλζεηα ζπζηήκαηα βειηησκέλε κεραληθή θαη ειεθηξηθή ζπκπεξηθνξά. Ρέηνηνπ ηύπνπ ζπζηήκαηα πιηθώλ, πνπ έρνπλ πςειή ειεθηξηθή δηαπεξαηόηεηα (high-θ materials) ρξεζηκνπνηνύληαη ζε ειεθηξνληθέο εθαξκνγέο, θαζώο κεηώλνπλ ηα ξεύκαηα δηαξξνήο θαη παξάιιεια ιεηηνπξγνύλ σο ελζσκαησκέλνη λαλν-ππθλσηέο εηζάγνληαο έλα λέν είδνο λαλνδηαηάμεσλ γηα ηελ απνζήθεπζε ελέξγεηαο. Ζ ειεθηξηθή απόθξηζή ηνπο, εθθξάδεηαη θπξίσο κέζσ ηεο ειεθηξηθήο δηαπεξαηόηεηαο θαη κπνξεί λα ξπζκηζηεί, ειέγρνληαο ηνλ ηύπν, ην κέγεζνο θαη ηελ πνζόηεηα ηεο θεξακηθήο ελίζρπζεο. Ζ ελζσκάησζε πηεδνειεθηξηθώλ θξπζηάιισλ, πνπ επηδεηθλύνπλ κεηαβαιιόκελε πόισζε, ζε κηα πνιπκεξηθή κήηξα, όπσο ε επνμεηδηθή ξεηίλε πνπ ελ γέλεη είλαη ειεθηξηθόο κνλσηήο- κε ρακειή ειεθηξηθή δηαπεξαηόηεηα θαη πςειή δηειεθηξηθή αληνρή κπνξεί λα νδεγήζεη ζηελ αλάπηπμε ελόο επθπνύο ζπζηήκαηνο. Πθνπόο απηήο ηεο εξγαζίαο είλαη ε παξαζθεπή θαη ν ραξαθηεξηζκόο ζύλζεησλ πνιπκεξηθώλ ζπζηεκάησλ επνμεηδηθήο ξεηίλεο λαλνζσκαηηδίσλ νμεηδίνπ ηνπ ςεπδάξγπξνπ (ZnO) θαζώο θαη ζύλζεησλ πβξηδηθώλ ζπζηεκάησλ επνμεηδηθήο ξεηίλεο - λαλνζσκαηηδίσλ νμεηδίνπ ηνπ ςεπδάξγπξνπ (ZnO) θαη θαξβηδίνπ ηνπ ηηηαλίνπ (TiC) ώζηε λα νδεγεζνύκε ζε έλα ζύζηεκα πιηθώλ κε βέιηηζηε ζπκπεξηθνξά. Ρα δνθίκηα πνπ παξαζθεπάζηεθαλ ραξαθηεξίζηεθαλ δηειεθηξηθά, κνξθνινγηθά θαη ζεξκηθά. Ρα λαλνζύλζεηα ππνβιήζεθαλ ζε κνξθνινγηθό θαη ζεξκηθό ραξαθηεξηζκό. Ζ κνξθνινγία ησλ δεηγκάησλ εμεηάζηεθε κέζσ ηνπ Ζιεθηξνληθνύ Κηθξνζθνπίνπ Πάξσζεο (SEM). Από ηελ εμέηαζε πξνέθπςε πσο ε δηαζπνξά ησλ λαλν-ζσκαηηδίσλ κπνξεί λα viii

9 ραξαθηεξηζζεί σο, ηνπιάρηζηνλ, ηθαλνπνηεηηθή θαη ζε όια ηα ζπζηήκαηα ζπλππάξρνπλ λαλνδηαζπνξέο θαη ζπζζσκαηώκαηα. Ζ ζεξκηθή απόθξηζε ησλ ζπζηεκάησλ κειεηήζεθε κέζσ ηεο ηερληθήο ηεο Γηαθνξηθήο Θεξκηδνκεηξίαο Πάξσζεο (DSC). Από ηα ζεξκνγξαθήκαηα πξνζδηνξίζηεθε ε ζεξκνθξαζία παιώδνπο κεηάπησζεο ησλ ζπζηεκάησλ. Ζ δηειεθηξηθή θαζκαηνζθνπία (Broadband Dielectric Spectroscopy) έρεη απνδεηρζεί σο έλα ηζρπξό εξγαιείν γηα ηελ έξεπλα ηεο κνξηαθήο θηλεηηθόηεηαο, ησλ αιιαγώλ θάζεο, ησλ κεραληζκώλ αγσγηκόηεηαο θαη ησλ δηεπηθαλεηαθώλ θαηλνκέλσλ ζηα πνιπκεξή θαη ηα ζύλζεηα πνιπκεξηθά ζπζηήκαηα. Ζ δηειεθηξηθή απόθξηζε ησλ λάλν-ζπλζέησλ εμεηάζηεθε ζην εύξνο ζπρλνηήησλ -1-7 Hz θαη ζην δηάζηεκα ζεξκνθξαζηώλ από 30 ν C έσο 160 ν C. Από ηα πεηξακαηηθά απνηειέζκαηα πξνθύπηεη πσο παξαηεξνύληαη δηειεθηξηθέο ραιαξώζεηο πνπ νθείινληαη ηόζν ζηελ πνιπκεξηθή κήηξα, όζν θαη ζηελ εληζρπηηθή θάζε. Ρξεηο δηαθξηηνί ηξόπνη ραιάξσζεο θαηαγξάθεθαλ ζηα θάζκαηα ησλ ζπζηεκάησλ πνπ κειεηήζεθαλ θαη απνδίδνληαη ζηε δηεπηθαλεηαθή πόισζε (Interfacial Polarization) κήηξαο/εγθιεηζκάησλ, ζηελ κεηάβαζε από ηελ παιώδε ζηελ ειαζηνκεξηθή θάζε (α- ραιάξσζε) ηεο πνιπκεξηθήο κήηξαο θαη ζηελ θίλεζε πιεπξηθώλ πνιηθώλ νκάδσλ (β- ραιάξσζε) ησλ θύξησλ αιπζίδσλ. Ρέινο, ππνινγίζηεθε ε ππθλόηεηα ελέξγεηαο όισλ ησλ ζπζηεκάησλ κε παξακέηξνπο ηε ζπρλόηεηα, ηε ζεξκνθξαζία θαη ηελ πεξηεθηηθόηεηα ζε πιεξσηηθό κέζν. Ρα εληζρπκέλα ζπζηήκαηα παξνπζηάδνπλ, ελ γέλεη, κεγαιύηεξε ηθαλόηεηα απνζήθεπζεο ελέξγεηαο. Ζ ιεηηνπξγηθή ζπκπεξηθνξά ησλ λαλνζύλζεησλ εμεηάζζεθε κε ρξήζε ηεο Ππλάξηεζεο Γηειεθηξηθήο Δλίζρπζεο (DRF). ix

10 SUMMARY The impact of nano-materials and nano-structured materials is well known and recognized in our days. Nano-composites consists an exciting modern field of scientific research. Nano-composites are multiphase materials where at least one of the dimensions of the reinforcing phases is in nano-scale. The main difference of nano-composites in comparison with conventional composites is their ability to achieve superior performance at a very low concentration of their filler. The introduction of nanocomposite materials was followed by many scientific studies which aimed to achieve a dramatic improvement of their mechanical performance. The latter, in many cases has not been verified. Recently, there is an increasing interest in studying the dielectric behavior and conductivity of polymer matrix inorganic nano-filler composites. Polymer matrix nano-composites are expected to be useful in replacing conventional insulating materials providing tailored performance, by simply controlling the type and the concentration of nano-inclusions. Nanocomposite systems, which include inorganic nano-particles represent a novel class of materials which are expected to exhibit functional properties because of the varying polarization of the ceramic particles. Dispersing ceramic inclusions within a polymer matrix, results in systems with enhanced mechanical and electrical behavior. Such material systems are used in electronic applications, for the reduction of leakage currents, and as integrated nano-capacitors. The ceramic filler could be piezoelectric crystal particles. Their varying polarization can be combined with a polymer host, like an epoxy resin which is, in general, electrical insulator with low dielectric permittivity and high dielectric breakdown strength. This combination could lead in the development of a smart materials system. The aims of this work are the preparation and characterization of epoxy resin nanocomposites with embedded zinc oxide (ZnO) and nanoparticles and in tandem hybrid system of epoxy resin zinc oxide (ZnO) and titanium carbide (TiC) nanoparticles. Furthermore, morphology, thermal and electrical response of the produced specimens was examined. The morphology of the specimens was checked for voids and clusters, by means of Scanning Electron Microscopy. Ceramic particles distribution is considered as satisfactory, although clusters co-exist with nanodispersions in all the examined systems. Thermal response was examined via Differential Scanning Calorimetry (DSC), and the obtained thermographs were used for the determination of glass transition temperature. Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS) has been proved to be a powerful tool for the investigation of molecular mobility, phase changes, conductivity mechanisms and interfacial effects in polymers and complex systems. The dielectric response of nanocomposites was examined via BDS in the frequency range -1-7 Hz and temperature interval from 30 o C to 160 o C. Experimental results include relaxation phenomena arising from both the polymeric matrix and the filler. Three distinct relaxation modes were x

11 recorded in the spectra of all systems. They were attributed to interfacial polarization, glass to rubber transition (α-relaxation) and motion of polar side groups (β relaxation). Finally, the energy density for all the studied systems was calculated with parameters the frequency, temperature and filler content. Composites systems exhibit, in general, higher energy storage efficiency. The systems functionality was examined by employing the Dielectric Reinforcing Function (DRF). xi

12 1

13 Κεφάλαιο 1 Σύνθετα υλικά ΘΔΦΑΙΑΗΟ 1 ΣΥΛΘΔΤΑ ΥΙΗΘΑ 1.1 Δζζαβςβή Ηζημνζηή Δλέθζλδ Σφκεεηςκ Υθζηχκ Τα ζφκεεηα οθζηά πνδζζιμπμζμφκηαζ εονφηαηα απυ ημκ άκενςπμ απυ ανπαζμηάηςκ πνυκςκ. Υθζηά πμο εφημθα ανίζημοιε ζηδ θφζδ (λφθμ, πέηνα, πδθυξ, ηυηαθα) πνδζζιμπμζήεδηακ ζε ιεβάθδ έηηαζδ απυ ημκ άκενςπμ, μ μπμίμξ ζφκημια έιαεε κα αεθηζχκεζ ηζξ ζδζυηδηεξ ημοξ εκζζπφμκηαξ ηα οθζηά αοηά ιε πνυζεεηα ζοζηαηζηά. Γζα πανάδεζβια, μζ Αζβφπηζμζ (5000 π.φ.) πνδζζιμπμζμφζακ ηδκ ηεπκζηή ηδξ εκίζποζδξ πθίκεςκ πδθμφ ιε πθέβια απφνςκ, ιε απμηέθεζια ηδ ιείςζδ ηςκ ηάζεςκ ζοζημθήξ πμο ακαπηφζζμκηακ ηαηά ηδκ λήνακζδ ημο πδθμφ. Δπίζδξ, παναηήνδζακ υηζ μζ πθάηεξ απυ πμθφζηνςηεξ αένβεξ λφθμο, πανμοζίαγακ πμθφ ιεβαθφηενδ ακημπή απυ ημ θοζζηυ λφθμ έκακηζ ζηνέαθςζδξ πμο μθεζθυηακ ζηδκ απμννυθδζδ οβναζίαξ. Ζ πνήζδ ηδξ ζζδδνυαενβαξ βζα πνμεκηεηαιέκμ ζηονυδεια, πμο πνδζζιμπμζείηαζ ζηζξ μζημδμιέξ ηδξ ζφβπνμκδξ επμπήξ, δεκ είκαζ πανά δ ιεηελέθζλδ ηδξ ηεπκζηήξ ηδξ ακάιζλδξ βφρμο ιε γςζηυ ηνίπςια, δ μπμία ήηακ ιζα πναηηζηή ιέεμδμξ εκίζποζδξ εφεναοζηςκ οθζηχκ ζε ηαηαζηεοέξ ζημοξ ακαπηοζζυιεκμοξ πμθζηζζιμφξ. Τμ πνχημ ζφκεεημ οθζηυ ααζζζιέκμ ζε ιήηνα πθαζηζημφ ειθακίζηδηε ηδ δεηαεηία ημο 1920 ηαζ επνυηεζημ βζα ιίβια ζκζδίςκ λφθμο ιε θαζκμθζηή θμνιαθδεΰδδ, βκςζηυ ανβυηενα ςξ ααηεθίηδξ πνμξ ηζιή ημο Βέθβμο επζζηήιμκα Leo Beaekeland. Ζ ακάπηολδ ηςκ ζφκεεηςκ οθζηχκ ιε εκίζποζδ ζκχκ ηαηά ηδκ δζάνηεζα ηςκ ηεθεοηαίςκ 30 εηχκ οπήνλε ναβδαία ηαζ ζοκδοάζηδηε ιε ηδκ πνμδβδεείζα ακάπηολδ ηςκ ορδθήξ ακημπήξ ζκχκ βοαθζμφ ηαζ ηςκ ορδθήξ δοζηαιρίαξ ζκχκ αμνίμο (1960) ηαζ ηδκ έκημκδ ηάζδ ηδξ αενμδζαζηδιζηήξ αζμιδπακίαξ βζα ιεβαθφηενδ απυδμζδ ιε πανάθθδθδ ιείςζδ αάνμοξ αενμζηαθχκ ηαζ δζαζηδιμπθμίςκ. Τμ 1964 δζαηέεδηακ ζηδκ αβμνά, ανπζηά ζε ιζηνέξ πμζυηδηεξ, μζ ίκεξ άκεναηα (carbon fibers), μζ μπμίεξ ηεθεοηαία απμηεθμφκ ηζξ εονφηενα πνδζζιμπμζμφιεκεξ εκζζπφζεζξ ζηζξ αενμδζαζηδιζηέξ ηαηαζηεοαζηζηέξ εθανιμβέξ. Τμ 1971 δζαηέεδηακ ζημ ειπυνζμ μζ ίκεξ αναιζδίμο, μζ μπμίεξ ηχνα πνδζζιμπμζμφκηαζ ζηα εθαζηζηά αοημηζκήηςκ, ηαεχξ ηαζ ζε ανηεηέξ αενμδζαζηδιζηέξ ηαζ καοπδβζηέξ ηαηαζηεοέξ. Ζ εζδζηή ακημπή (θυβμξ ακημπήξ πνμξ ποηκυηδηα) ηαζ δ εζδζηή δοζηαιρία (θυβμξ δοζηαιρίαξ πνμξ ποηκυηδηα) ηςκ εκζζποηζηχκ ζκχκ ααίκμοκ ζοκεπχξ αολακυιεκεξ ηα ηεθεοηαία 30 πνυκζα, π.π. δ εζδζηή ακημπή ηαζ δ εζδζηή δοζηαιρία ηςκ ζκχκ βοαθζμφ, άκεναηα, αναιζδίμο ηαζ αμνίμο έπμοκ θεάζεζ ζημ -14πθάζζμ ηςκ ακηίζημζπςκ ηζιχκ ημο αθμοιζκίμο (εθαθνυ ιέηαθθμ). Τα ζφκεεηα οθζηά ηαθφπημοκ ιεβάθμ ιένμξ ηςκ εθανιμβχκ ηςκ κέςκ ηεπκμθμβζχκ αζπιήξ ζηζξ ηαηαζηεοέξ ηαζ έπμοκ ιεηααάθεζ ζδιακηζηά ηζξ αημθμοεμφιεκεξ δζαδζηαζίεξ ζπεδίαζδξ, παναβςβήξ, εθέβπμο ηαζ ζοκηήνδζδξ. 1

14 Κεφάλαιο 1 Σύνθετα υλικά Ζ ιεβάθδ πμζηζθία ζκχκ ηαζ πμθοιενζηχκ ιδηνχκ, ηαεχξ ηαζ μζ δζάθμνεξ ιέεμδμζ ηαηαζηεοήξ πανέπμοκ ζημ ζπεδζαζηή ηδ δοκαηυηδηα κα επζθέλεζ ημ πζμ ηαηάθθδθμ ζφζηδια οθζηχκ πμο ηαθφπηεζ ηζξ απαζηήζεζξ ημο, ζφζηδια πμο έπεζ ζοβηεηνζιέκα παναηηδνζζηζηά ηαζ ζδζυηδηεξ, πμο πμθθέξ θμνέξ ιπμνεί κα είκαζ ηαζ ιμκαδζηά. Τμ ιζηνυ αάνμξ, δ ορδθή ακημπή, δ ελαζνεηζηή ακημπή ζε δζάανςζδ, δ πμθφ ηαθή ζοιπενζθμνά ζε ηυπςζδ, ζε ηνμφζδ ηαζ ζηδ δζάδμζδ νςβιχκ, μζ ζπεηζηά εφημθεξ δζαδζηαζίεξ παναβςβήξ ηαζ ημ ιζηνυ ηυζημξ ζοκηήνδζδξ είκαζ ιενζημί απυ ημοξ πανάβμκηεξ εηείκμοξ πμο έπμοκ μδδβήζεζ ηα ζφκεεηα οθζηά ζηδκ πνχηδ εέζδ ιεηαλφ ηςκ ηαηαζηεοαζηζηχκ οθζηχκ βζα ιεβάθμ πθήεμξ εθανιμβχκ. Mενζηά ιεζμκεηηήιαηα ηςκ ζφκεεηςκ οθζηχκ, υπςξ: ηα ορδθά επίπεδα ενποζιμφ, δ ιζηνή ακηίζηαζδ ζε ιδπακζηή θεμνά, δ ζδζαίηενδ ηαζ πμθθέξ θμνέξ εοαίζεδηδ ζοιπενζθμνά ζε δοζιεκείξ ζοκεήηεξ πενζαάθθμκημξ (εαθάζζζμ πενζαάθθμκ, ορδθέξ εενιμηναζίεξ, πδιζηυ πενζαάθθμκ, ηθπ.) ηαεχξ ηαζ ημ ανηεηά ορδθυ ανπζηυ ημοξ ηυζημξ, ααειζαία ακηζιεηςπίγμκηαζ πζμ απμηεθεζιαηζηά ιέζς ηδξ ζοκεπμφξ ηεπκμθμβζηήξ ακάπηολδξ ζηδκ παναβςβή κέςκ ηαζ ηαθθίηενςκ ζκχκ, νδηζκχκ ηαζ ελέθζλδξ ηςκ ιεευδςκ παναβςβήξ. 1.2 Σφκεεηα οθζηά Τα ζφκεεηα οθζηά απμηεθμφκηαζ απυ δφμ ή πενζζζυηενα οθζηά ζοκδεδειέκα ιαηνμζημπζηά, έηζζ χζηε κα πνμηφπηεζ έκα πμθοθαζζηυ ζφζηδια ιε θοζζηέξ ζδζυηδηεξ δζαθμνεηζηέξ απυ αοηέξ ηςκ ανπζηχκ οθζηχκ. Τα επζιένμοξ οθζηά δεκ είκαζ δζαθοηά ημ έκα ζημ άθθμ ηαζ ιπμνμφκ κα ακαιζπεμφκ ιεηαλφ ημοξ ιε εθεβπυιεκμ ηνυπμ ηαζ ιε ηαεμνζζιέκεξ ακαθμβίεξ, εκχ είκαζ ηαζ ιδπακζηά δζαπςνίζζια. Τα ζφκεεηα οθζηά απμηεθμφκηαζ απυ δφμ θάζεζξ, ηδ ιδηνζηή ηαζ ηδ θάζδ εκίζποζδξ. Ζ ιήηνα, είκαζ ημ οθζηυ ιε ημ ιεβαθφηενμ ηαη υβημ πμζμζηυ ζημ ζφκεεημ ζφζηδια. Γζα ηδ ιήηνα επζθέβμκηαζ ζοκήεςξ οθζηά ιε παιδθυ ηυζημξ. Ο νυθμξ ηδξ είκαζ κα δνα ςξ ζοβημθθδηζηυ ζημζπείμ ηςκ εβηθεζζιάηςκ, κα ιεηαθένεζ ιδπακζηέξ ηάζεζξ ιέζα ζημ ζφκεεημ οθζηυ, κα ηζξ ηαηακέιεζ μιμζυιμνθα ακάιεζα ζηα εβηθείζιαηα αθθά ηαζ κα ηα πνμζηαηεφεζ απυ ηζξ επζαθααείξ πενζααθθμκηζηέξ ζοκεήηεξ. Ζ ιήηνα θμζπυκ είκαζ δ θάζδ πμο ένπεηαζ ζε άιεζδ επαθή ιε ημ πενζαάθθμκ ηαζ ηαεμνίγεζ ηδκ ακηίζηαζδ ημο ζφκεεημο οθζημφ ζηζξ ελςηενζηέξ ζοκεήηεξ. Τα δζάθμνα εβηθείζιαηα απμηεθμφκ ηδκ εκζζποηζηή θάζδ ημο ζφκεεημο ζοζηήιαημξ. Τμ είδμξ ημοξ ιπμνεί κα πμζηίθεζ ζε ιέβεεμξ, βεςιεηνία ηαζ ζφζηαζδ. Σηα ζφκεεηα οθζηά παναηδνείηαζ ιζα πενζμπή ιεηαλφ ηςκ μνίςκ ηςκ δφμ θάζεςκ, δ μπμία ειθακίγεζ θοζζηέξ ζδζυηδηεξ δζαθμνεηζηέξ ηςκ ανπζηχκ οθζηχκ. Ζ πενζμπή αοηή παίγεζ ηαεμνζζηζηυ νυθμ ζηδ ζοιπενζθμνά ημο ζφκεεημο οθζημφ ηαζ μκμιάγεηαζ εκδζάιεζδ θάζδ ή αθθζχξ δζεπζθάκεζα ιεηαλφ ιήηναξ ηαζ εβηθείζιαημξ [Chung 20] [Callister, 2004]. 2

15 Κεφάλαιο 1 Σύνθετα υλικά 1.3 Κμνθμθμβία ηαζ Ταλζκυιδζδ Σφκεεηςκ Υθζηχκ Ζ ηαλζκυιδζδ ηςκ ζφκεεηςκ οθζηχκ ιπμνεί κα βίκεζ ιε δομ ηνυπμοξ. Πνχημκ ςξ πνμξ ηδ θφζδ ηδξ ιήηναξ ηαζ δεφηενμκ ςξ πνμξ ηδ ιμνθή ηςκ εβηθεζζιάηςκ. Έηζζ ιε αάζδ ηδ ιήηνα, ηα ζφκεεηα οθζηά δζαηνίκμκηαζ ζε: Σφκεεηα ιε ιεηαθθζηή ιήηνα Σφκεεηα ιε ηεναιζηή ιήηνα Σφκεεηα ιε πμθοιενζηή ιήηνα εκχ ιε αάζδ ημ έβηθεζζια δζαηνίκμκηαζ ζε: Σφκεεηα ιε έβηθεζζια οπυ ιμνθή ηυηηςκ Σφκεεηα ιε έβηθεζζια οπυ ιμνθή ζκχκ Σφκεεηα ιε έβηθεζζια οπυ ιμνθή επίπεδςκ θφθθςκ ή Λζθάδεξ Σπήια 1.1 : Θαηδβμνίεξ ζφκεεηςκ οθζηχκ ιε αάζδ ηδ ιήηνα. 3

16 Κεφάλαιο 1 Σύνθετα υλικά Ταλζκυιδζδ ιε αάζδ ηδ ιήηνα Σφκεεηα οθζηά ιε ιεηαθθζηή ιήηνα Θφνζμ βκχνζζια ηςκ οθζηχκ αοηχκ είκαζ υηζ πανμοζζάγμοκ ιεβάθδ εθεθηοζηζηή ακημπή ηαζ ιπμνμφκ κα πνδζζιμπμζδεμφκ αηυιδ ηαζ ζε ορδθέξ εενιμηναζίεξ. Δπζπθέμκ πανμοζζάγμοκ ηαθή εενιζηή ηαζ δθεηηνζηή αβςβζιυηδηα, ιδδεκζηή απμννυθδζδ οβναζίαξ ηαζ ακημπή ζε ηνμφζεζξ. Τα ηφνζα ιεζμκεηηήιαηα ημοξ είκαζ ημ αάνμξ ημοξ, ημ ορδθυ ηυζημξ ημοξ ηαζ δ πμθοπθμηυηδηα ηδξ ηαηαζηεοήξ ημοξ. Τα ααζζηά ιέηαθθα πμο πνδζζιμπμζμφκηαζ ςξ ιεηαθθζηέξ ιήηνεξ είκαζ ημ ανβίθζμ, ημ ηζηάκζμ, ημ ιαβκήζζμ η.α. Ζ θάζδ εκίζποζδξ ημοξ ζοκήεςξ απμηεθείηαζ απυ ίκεξ άκεναηα, αμνίμο ηαζ ανβζθίμο. Ακεναημκήιαηα ζε ιήηνα απυ ιαβκήζζμ πανμοζζάγμοκ ορδθή ακημπή ηαζ εθαζηζηυηδηα, εκχ ζφκεεηα αμνίμο ηαζ ανβζθίμο πανμοζζάγμοκ ανηεηά ηαθή ηζιή ηνμοζηζηήξ ακημπήξ. Πίκαηαξ 1.1: Φαναηαηδνζζηζηά παναδείβιαηα ζφκεεηςκ ιεηαθθζηήξ ιήηναξ [ Σφκεεηα οθζηά ιε ηεναιζηή ιήηνα Ωξ ηεναιζηά οθζηά ακαθένμκηαζ ακυνβακα ζηενεά πμο είκαζ πδιζηέξ εκχζεζξ ιεηάθθςκ ηαζ αιεηάθθςκ ζημζπείςκ. Τα πθέμκ δζαδεδμιέκα ηεναιζηά είκαζ μλείδζα, κζηνίδζα ηαζ ηαναίδζα. Σοβηεηνζιέκα μ υνμξ ηεναιζηυ οπμδδθχκεζ οθζηυ πμο έπεζ οπμζηεί ηαηενβαζία ζε ορδθέξ εενιμηναζίεξ, δζαδζηαζία πμο ζδιαημδμηεί ηαζ ηδ ιέεμδμ παναζηεοήξ ημο. Έηζζ ηα οθζηά αοηά πανμοζζάγμοκ ορδθή ακημπή ζε πμθφ ορδθέξ εενιμηναζίεξ ηαζ δεκ επδνεάγμκηαζ ζδιακηζηά απυ μπμζμδήπμηε πενζαάθθμκ δδθαδή δεκ δζαανχκμκηαζ. Τμ ιέηνμ εθαζηζηυηδηαξ ημοξ ιπμνεί κα θηάζεζ ηα 60GPa ηαζ μ ζοκηεθεζηήξ εενιζηήξ δζαζημθήξ κα ηοιαίκεηαζ απυ 0,5-6 grad -1 έςξ 8,5-6 grad -1. Τα ηεναιζηά οθζηά πανμοζζάγμοκ ζοκήεςξ παιδθή δθεηηνζηή ηαζ εενιζηή αβςβζιυηδηα ηαζ πνδζζιμπμζμφκηαζ ςξ ιμκςηζηά οθζηά. Ο ιμκςηζηυξ παναηηήναξ ημοξ μθείθεηαζ ζηδκ απμοζία δθεηηνμκίςκ αβςβζιυηδηαξ. Οζ 4

17 Κεφάλαιο 1 Σύνθετα υλικά ηεναιζηέξ ιήηνεξ ελαζθαθίγμοκ ζημ ζφκεεημ, αηαιρία ηαζ ζηαεενυηδηα ζηδκ εκζζποηζηή θάζδ εκχ πανάθθδθα ημ πνμζηαηεφμοκ απυ ηάεε ιδπακζηή ή μλεζδςηζηή θεμνά. Δπζπθέμκ, ελαζθαθίγμοκ ηδκ ακαβηαία εενιμιδπακζηή ζζμννμπία ζηδκ εκζζποηζηή θάζδ, χζηε κα επζηοβπάκεηαζ μ έθεβπμξ ηςκ δζεπζθακεζαηχκ ζδζμηήηςκ ηαζ δ εκίζποζδ ηδξ ιδπακζηήξ ζοιπενζθμνάξ ζε ηαηάζηαζδ θυνηζζδξ. Πίκαηαξ 1.2: Φαναηαηδνζζηζηά παναδείβιαηα ζφκεεηςκ ηεναιζηήξ ιήηναξ[ Σφκεεηα οθζηά ιε πμθοιενζηή ιήηνα Σηδκ ηαηδβμνία αοηή ακήημοκ μζ ιήηνεξ ιε ηζξ πενζζζυηενεξ εθανιμβέξ ηαζ ηδ ιεβαθφηενδ ειπμνζηή δζαεεζζιυηδηα. Σοκήεδ πμθοιενή οθζηά πμο πνδζζιμπμζμφκηαζ ςξ ιήηνεξ είκαζ ηα εενιμζηθδνοκυιεκα ηαζ ηα εενιμπθαζηζηά. Οζ εενιμζηθδνοκυιεκεξ νδηίκεξ, μ πμθοιενζζιυξ ηςκ μπμίςκ επζηοβπάκεηαζ ζε εενιμηναζίεξ δςιαηίμο, πανμοζζάγμοκ λεπςνζζηέξ ζδζυηδηεξ ζηζξ ζπεηζηά ορδθέξ εενιμηναζίεξ. Τμ ααζζηυ παναηηδνζζηζηυ ημοξ είκαζ υηζ δεκ πανμοζζάγμοκ ζδιείμ ηήλδξ. Οζ πμθοεζηένεξ ήηακ μ πνχημξ ηφπμξ εενιμζηθδνοκυιεκμο πμο πνδζζιμπμζήεδηε ηαζ παναιέκμοκ αηυια ηαζ ζήιενα ζδζαίηενα δδιμθζθείξ θυβς ημο ιζηνμφ ημοξ ηυζημοξ. Έκαξ αηυια ηφπμξ εενιμζηθδνοκυιεκμο είκαζ μζ επμλεζδζηέξ νδηίκεξ. Ο υνμξ επμλεζδζηή νδηίκδ ακαθένεηαζ ζε ιία ηαηδβμνία πμθοιενχκ πμο παναζηεοάγμκηαζ απυ έκα επμλεζδζηυ ιμκμιενέξ ιε ιία δζενβαζία δφμ ζηαδίςκ. Σημ πνχημ ζηάδζμ ηδξ δζενβαζίαξ δφμ ιμκμιενή, έκα επμλεζδζηυ ηαζ έκα ιδ επμλεζδζηυ, ακηζδνμφκ ζπδιαηίγμκηαξ έκα παιδθμφ ιμνζαημφ αάνμοξ πνμπμθοιενέξ, πμο έπεζ ηδ ιμνθή παπφνεοζημο οβνμφ. Σημ δεφηενμ ζηάδζμ (πμθοιενζζιυξ) ημ πνμπμθοιενέξ ακηζδνά ιε ημ ηνίημ ζοζηαηζηυ (ζηθδνοκηήξ) ηαζ απμηηά δμιή πθέβιαημξ. 5

18 Κεφάλαιο 1 Σύνθετα υλικά Ο υνμξ εενιμπθαζηζηά ηαθφπηεζ ηα πμθοιενή οθζηά ηα μπμία οπυ ηδκ επίδναζδ εενιυηδηαξ ηαζ πίεζδξ ηαείζηακηαζ εφπθαζηα ηαζ νέμοκ. Θαη αοηυκ ημκ ηνυπμ, ηα πενζζζυηενα εενιμπθαζηζηά ιπμνμφκ κα ιμνθμπμζδεμφκ πμθθέξ θμνέξ (ακαηφηθςζδ), ακ ηαζ δ ειθάκζζδ θαζκμιέκςκ πμθοιενζζιμφ ιεζχκεζ ζε πμθθέξ πενζπηχζεζξ ημ δοκαηυ ανζειυ ηςκ ηφηθςκ ιμνθμπμίδζδξ. Απυ άπμρδ δμιήξ, εενιμπθαζηζηέξ ζδζυηδηεξ πανμοζζάγμοκ ηα βναιιζηά ή δζαηθαδςιέκα πμθοιενή, ζηα μπμία ιία αφλδζδ ηδξ εενιμηναζίαξ ή δ επίδναζδ εκυξ δζαθφηδ επζηνέπεζ ιζα ζδιακηζηή ακααάειζζδ ηδξ ηζκδηζηυηδηαξ ηςκ ιαηνμιμνίςκ, χζηε κα επζηνέπεηαζ ηεθζηά ιζα πθήνδξ ακελανηδζία ηζκήζεςξ ημο εκυξ ζε ζπέζδ ιε ημ άθθμ. Κε άθθα θυβζα, ακάιεζα ζηα ιαηνμιυνζα ηςκ εενιμπθαζηζηχκ πμθοιενχκ δεκ οπάνπμοκ πδιζημί δεζιμί ηαζ μζ εενιζηέξ ηζκήζεζξ ημοξ είκαζ ανηεηέξ χζηε κα πανμοζζάγμκηαζ ςξ ηήβιαηα ζε ορδθέξ εενιμηναζίεξ. Σε αοηέξ ηζξ εενιμηναζίεξ, θμζπυκ, βίκμκηαζ μζ δζενβαζίεξ ιμνθμπμίδζήξ ημοξ ζε πνήζζια πνμσυκηα. Σε αοηέξ ηζξ εενιμηναζίεξ, ζηδκ ηαηάζηαζδ ηήβιαημξ, βίκεηαζ ηαζ δ παναζηεοή ηςκ ζοκεέηςκ οθζηχκ πμο πνδζζιμπμζμφκ ηα εενιμπθαζηζηά πμθοιενή ςξ ιήηνα. Τα ζφκεεηα οθζηά εενιμπθαζηζηήξ πμθοιενζηήξ ιήηναξ πανμοζζάγμοκ ηαθέξ ιδπακζηέξ ζδζυηδηεξ. Σοβηεηνζιέκα έπμοκ ιεβάθεξ εκένβεζεξ εναφζδξ, βζαηί έπμοκ δζαεέζζιμ εθεφεενμ υβημ πμο απμννμθά ηδκ εκένβεζα πμο ζοκδέεηαζ ιε δζάδμζδ νςβιήξ. Γεκζηά ηα οθζηά αοηήξ ηδξ ηαηδβμνίαξ μθείθμοκ ηδκ ακημπή ηαζ ηδκ αηαιρία ημοξ ζηζξ ζδζυηδηεξ ηςκ ιμκμιενχκ, απυ ηα μπμία παναζηεοάζηδηακ, ηαζ ζημ ιεβάθμ ιμνζαηυ αάνμξ ημοξ, ηαζ υπζ ζηδ δδιζμονβία εκυξ πθέβιαημξ (cross-linking). Όθα ηα εενιμπθαζηζηά πμθοιενή ιπμνμφκ κα πνδζζιμπμζδεμφκ ςξ ιήηνεξ. Απυ πθεονάξ υιςξ αζμιδπακζηήξ παναβςβήξ πνδζζιμπμζμφκηαζ μνζζιέκα πμθοιενή ηα μπμία επζδέπμκηαζ εκίζποζδ ηαζ πανμοζζάγμοκ δοκαηυηδηεξ εθανιμβήξ ςξ ηαηαζηεοαζηζηά οθζηά. Ακάιεζα ζηα εενιμπθαζηζηά πμθοιενή πμο πνδζζιμπμζμφκηαζ ςξ ιήηνεξ είκαζ ημ πμθοζηονέκζμ ορδθήξ ακημπήξ ζε ηνμφζδ (High Impact Polystyrene HIPS), ημ πμθο(ιεεαηνοθζηυ ιεεφθζμ) (PMMA), ημ ζοιπμθοιενέξ αηνοθμκζηνζθίμο-αμοηαδζεκίμο-ζηονεκίμο(abs),ημ πμθοπνμποθέκζμ (PP), ημ πμθοαζεοθέκζμ (PE) η.α. Πίκαηαξ 1.3: Φαναηαηδνζζηζηά παναδείβιαηα ζοκεέηςκ μνβακζηήξ ιήηναξ[ 6

19 Κεφάλαιο 1 Σύνθετα υλικά Ταλζκυιδζδ ιε αάζδ ημ έβηθεζζια Ίκεξ Οζ ίκεξ απμηεθμφκ ημ πζμ ημζκυ είδμξ εβηθείζιαημξ ζδζαίηενα ηςκ πμθοιενζηχκ ιδηνχκ. Οζ ίκεξ ιπμνεί κα είκαζ ηεναιζηέξ, ιεηαθθζηέξ, μνβακζηέξ ή απυ βοαθί. Ωξ επί ημ πθείζημκ πνδζζιμπμζμφκηαζ βζα ηζξ ηαθέξ ιδπακζηέξ ημοξ ζδζυηδηεξ ηαζ εκζςιαηχκμκηαζ ζε δζαθμνεηζημφξ ζπδιαηζζιμφξ ακάθμβα ιε ηδκ εθανιμβή βζα ηδκ μπμία πνμμνίγμκηαζ (δζαηεηαβιέκεξ ηοπαία, πνμζακαημθζζιέκεξ ζε ιζα ηαηεφεοκζδ, αθθδθμοπία ζηνςιάηςκ ιε ζοβηεηνζιέκμ πνμζακαημθζζιυ, ή πθέβια). Σςιαηίδζα Τα ζςιαηίδζα, μνβακζηά ή ακυνβακα, ιπμνμφκ είηε κα ειθακίγμοκ ιεβάθδ δζαζπμνά ζημ ζπήια ηαζ ζημ ιέβεευξ ημοξ είηε κα είκαζ ζπεηζηά μιμζυιμνθα μπυηε μκμιάγμκηαζ ζηυκεξ. Τμ ιέβεεμξ ηαζ δ θφζδ ηςκ ζςιαηζδίςκ επδνεάγμοκ ηδ ζοιπενζθμνά ηςκ ζοκεέηςκ βζα αοηυ ηαζ ηα πμθφ ιζηνά ζςιαηίδζα (ιζηνμζθαίνεξ) πμο ιπμνεί κα είκαζ είηε ζοιπαβή, είηε ημφθζα πανμοζζάγμοκ έκημκμ εκδζαθένμκ. Λζθάδεξ-Σηνχζεζξ (lamellae) Οζ κζθάδεξ ιε ηδκ ζδζυηδηα ημοξ κα ηάεμκηαζ δ ιζα πάκς ζηδκ άθθδ ζπδιαηίγμκηαξ ζηνχζεζξ ηάκμοκ εενιζηά ηαζ δθεηηνζηά αβχβζιμ ημ ζφκεεημ οθζηυ ακ ιζθάιε βζα αβχβζιεξ ζηνχζεζξ ή δζαθμνεηζηά ιπμνμφκ κα αεθηζχζμοκ ηζξ δζδθεηηνζηέξ ημο ζδζυηδηεξ [Παπακζημθάμο, 2007], [Callister, 2004]. Σπήια 1.2 :Ταλζκυιδζδ ηςκ ζοκεέηςκ οθζηχκ ιε αάζδ ημ ζπήια ηδξ εκζζποηζηήξ θάζδξ [Γαθίχηδξ, 2004]. 7

20 Κεφάλαιο 1 Σύνθετα υλικά Απυ ημ Σπήια 1.1 βίκεηαζ θακενυ υηζ ημ ιέβεεμξ ηαζ ημ ζπήια ηςκ εβηθεζζιάηςκ παίγεζ πμθφ ζδιακηζηυ νυθμ. Πένα απυ αοηά υιςξ δ θφζδ, μ πνμζακαημθζζιυξ ηαζ δ πενζεηηζηυηδηα έπμοκ επίζδξ ζδιακηζηυ νυθμ ζηδ δζαιυνθςζδ ηςκ ηεθζηχκ ζδζμηήηςκ ημο ζοκεέημο. Τμ Σπήια 1.2 αμδεάεζ κα βίκεζ ακηζθδπηή δ ζδιαζία ηδξ ιμνθήξ ηδξ εκζζποηζηήξ θάζδξ. Σπήια 1.3 :Γζάθμνμζ ηφπμζ εβηθεζζιάηςκ [Παπακζημθάμο, Κμογάηδξ, 2007]. 1.4 Λακμζφκεεηα οθζηά Ζ κακμηεπκμθμβία είκαζ δ ιεθέηδ ηαζ μ έθεβπμξ ηδξ ζοιπενζθμνάξ ηδξ φθδξ ζηδκ ηθίιαηα ηςκ πενίπμο 1-0nm ( -9 m) υπμο ηα ηαακημιδπακζηά θαζκυιεκα βίκμκηαζ ζζπονά, αθθάγμκηαξ ηζξ ζδζυηδηεξ ηςκ οθζηχκ (υπςξ ημ ζδιείμ ηήλδξ, ηδ ιαβκήηζζδ, ημ εκενβεζαηυ πάζια η.η.θ.) πςνίξ ηαιία αθθαβή ζηδ πδιζηή ημοξ ζφκεεζδ, ακμίβμκηαξ έηζζ δνυιμοξ βζα κέεξ επακαζηαηζηέξ εθανιμβέξ [Θoo, 2006]. Ωξ κακμζφκεεηα οθζηά μνίγμκηαζ ηα ζφκεεηα οθζηά ζηα μπμία ηα εβηθείζιαηα έπμοκ ημοθάπζζημκ ιία δζάζηαζδ ζηδκ πενζμπή ηςκ κακμιέηνςκ. Τα οθζηά αοηά έπμοκ πνμζεθηφζεζ πμθθέξ ενεοκδηζηέξ πνμζπάεεζεξ θυβς ηδξ ζδιακηζηήξ αεθηίςζδξ πμο είκαζ δοκαηυκ κα πνμζθένμοκ ζε δζάθμνεξ ζδζυηδηεξ (υπςξ ιδπακζηέξ, εενιζηέξ, δθεηηνζηέξ ηαζ ιαβκδηζηέξ, ζδζυηδηεξ θναβιμφ) ζε ζφβηνζζδ ιε ημ ηαεανυ πμθοιενέξ ηαεχξ ηαζ ζε ζφβηνζζδ ιε ιίηνμ-ζφκεεηα οθζηά πανυιμζαξ πδιζηήξ ζφζηαζδξ, ζε ζοκδοαζιυ ιε εθηοζηζηέξ ζδζυηδηεξ υπςξ δ μπηζηή δζαθάκεζα. Δπζπθέμκ, ηα κακμζφκεεηα οθζηά δίκμοκ ηδ δοκαηυηδηα βζα ηδκ ηαηαζηεοή οθζηχκ ιε ζδζυηδηεξ πμο πνμηφπημοκ απυ ζοκένβεζα ιεηαλφ ηςκ ζδζμηήηςκ ιήηναξ ηαζ εβηθείζιαημξ (ζδζυηδηεξ πονμπνμζηαζίαξ, θςημαβςβζιυηδηα). Γζα ηζιέξ ηςκ εβηθεζζιάηςκ ζηδκ πενζμπή ηςκ κακμιέηνςκ, παναηδνμφιε υηζ μζ απμζηάζεζξ ιεηαλφ βεζημκζηχκ ζςιαηζδίςκ είκαζ επίζδξ ηδξ ηάλδξ ηςκ κακμιέηνςκ, αηυιδ ηαζ βζα ζπεηζηά ιζηνέξ πενζεηηζηυηδηεξ ζε πθδνςηζηυ ιέζμ. [Sperling L. H, 2006], [ Σιμιτζής, 2004], [Πίσσης, 2003]. 8

21 Κεφάλαιο 1 Σύνθετα υλικά 1.5 Ηδζυηδηεξ Λακμζφκεεηςκ Όπςξ ακαθέναιε παναπάκς, μζ ζδζυηδηεξ ηςκ κακμζφκεεηςκ οθζηχκ είκαζ βεκζηά ηνμπμπμζδιέκεξ ζε ζπέζδ ιε ηα ακηίζημζπα ιίηνμ-ζφκεεηα οθζηά ιε ηδκ ίδζα ζφζηαζδ. Οζ αηνζαείξ ιδπακζζιμί πμο πνμηαθμφκ αοηέξ ηζξ αθθαβέξ δεκ είκαζ αηυιδ, βζα ηζξ πενζζζυηενεξ πενζπηχζεζξ, πθήνςξ βκςζημί. Δίκαζ υιςξ βεκζηά παναδεηηυ υηζ δφμ πανάβμκηεξ παίγμοκ ηαεμνζζηζηυ νυθμ βζα ηζξ ζδζυηδηεξ ηςκ κακμζφκεεηςκ οθζηχκ: ηα θαζκυιεκα ιεβέεμοξ ηαζ δ ηνμπμπμίδζδ ηςκ ζδζμηήηςκ ημο πμθοιενμφξ ημκηά ζηζξ δζεπζθάκεζεξ. 1. Τα θαζκυιεκα ιεβέεμοξ ή θαζκυιεκα ηθίιαηαξ (size effects) ακαθένμκηαζ ζηδκ ηνμπμπμίδζδ ηςκ θοζζηχκ ζδζμηήηςκ (μπηζηχκ, ιαβκδηζηχκ ηαζ δθεηηνζηχκ ζδζμηήηςκ ηαεχξ ηαζ ζε αθθαβέξ θάζδξ), ηςκ κακμζςιαηζδίςκ, ςξ πνμξ ηζξ ακηίζημζπεξ ιαηνμζημπζηέξ ημοξ ζδζυηδηεξ ηαεχξ ηαζ ζηδκ ειθάκζζδ κέςκ ζδζμηήηςκ. 2. Πανάβμκηαξ μ μπμίμξ παίγεζ ηαεμνζζηζηυ νυθμ, πανάθθδθα ιε ηα θαζκυιεκα ιεβέεμοξ, είκαζ δ ηνμπμπμίδζδ ηςκ ζδζμηήηςκ ηδξ πμθοιενζηήξ ιήηναξ ημκηά ζηδκ επζθάκεζα ηςκ εβηθεζζιάηςκ. Δίκαζ βκςζηυ υηζ δ δζεπζθάκεζα ιήηναξ/εβηθείζιαημξ πνμηαθεί, ζηζξ πμθοιενζηέξ αθοζίδεξ πμο ανίζημκηαζ ημκηά ζε αοηή, αθθαβέξ ζηδ δμιή (δζαιμνθχζεζξ ηδξ πμθοιενζηήξ αθοζίδαξ, ποηκυηδηα) ηαεχξ ηαζ ζηζξ δοκαιζηέξ (ιδπακζζιμί ιμνζαηήξ ηζκδηζηυηδηαξ) ηαζ εενιμδοκαιζηέξ (αθθαβέξ θάζδξ) ζδζυηδηεξ. Ζ επίδναζδ αοηή ηδξ δζεπζθάκεζαξ εηηείκεηαζ ιέζα ζημ οθζηυ ζε ιζα απυζηαζδ πμο ελανηάηαζ, ιεηαλφ άθθςκ, απυ ηζξ πδιζηέξ αθθδθεπζδνάζεζξ ιήηναξ/εβηθείζιαημξ ηαζ απυ ηδκ οπυ ιεθέηδ ζδζυηδηα, αθθά ηοπζηά ανίζηεηαζ ζηδκ πενζμπή ηςκ κακμιέηνςκ. Τμ θαζκυιεκμ αοηυ ειθακίγεηαζ ελίζμο ηαζ ζηα παναδμζζαηά ζφκεεηα οθζηά, αθθά εηεί ημ ηνμπμπμζδιέκμ πμθοιενέξ ακηζπνμζςπεφεζ πμθφ ιζηνυ πμζμζηυ ημο υβημο ημο οθζημφ, ηαζ έηζζ δεκ επζδνά ζδιακηζηά ζηζξ ζδζυηδηέξ ημο. Κεζχκμκηαξ υιςξ ημ ιέβεεμξ ηςκ ζςιαηζδίςκ ηαζ θηάκμκηαξ ζηδκ πενζμπή ηςκ κακμιέηνςκ, αολάκεηαζ δναιαηζηά ημ ειααδυ ηδξ δζεπζθάκεζαξ ηαζ πανάθθδθα ιεζχκεηαζ δ ιέζδ απυζηαζδ ιεηαλφ εβηθεζζιάηςκ. Αοηυ έπεζ ςξ απμηέθεζια ημ ηνμπμπμζδιέκμ δζεπζθακεζαηυ πμθοιενέξ κα ζοκζζηά πθέμκ έκα ζδιακηζηυ πμζμζηυ ημο οθζημφ, ηαζ μζ ζδζυηδηέξ ημο κα ζοκεζζθένμοκ ή ζε ηάπμζεξ πενζπηχζεζξ κα ηονζανπμφκ ζηζξ ζδζυηδηεξ ημο κακμζφκεεημο. Ζ βνήβμνδ ακάπηολδ ηςκ κακμζφκεεηςκ οθζηχκ δεκ έπεζ επζηνέρεζ ηδ δζαπίζηςζδ ηάπμζαξ ζοβηεηνζιέκδξ εεςνίαξ ή ιμκηέθμο πμο κα ιπμνεί κα πενζβνάθεζ επανηχξ ή κα πνμαθέπεζ ηζξ ζδζυηδηεξ ημοξ, ηαεχξ μζ εεςνίεξ πμο ζζπφμοκ βζα ηα παναδμζζαηά ζφκεεηα οθζηά δεκ επεηηείκμκηαζ ζηδκ πενίπηςζδ ηςκ κακμζφκεεηςκ. Τμ βεβμκυξ αοηυ ηαεζζηά ζδζαίηενα ζδιακηζηή ηδ ιεθέηδ ηςκ 9

22 Κεφάλαιο 1 Σύνθετα υλικά ζπέζεςκ δμιήξ-ζδζμηήηςκ ζηα κακμζφκεεηα πμθοιενζηά οθζηά, δδθαδή ηςκ ζπέζεςκ πμο ζοκδέμοκ ηδ πδιζηή ζφζηαζδ ηαζ ηδ ιέεμδμ παναζηεοήξ ηαζ ηαηενβαζίαξ ιε ηδ δμιή ηαζ ιμνθμθμβία ημο οθζημφ, ηαεχξ ηαζ ηζξ ζδζυηδηεξ πμο πνμηφπημοκ. [Sperling L. H, 2006], [Σζιζηγήξ, 2004], [Πίζζδξ, 2003]. [Πακαβζχημο, 2000]. 1.6 Δβηθείζιαηα ηςκ κακμζφκεεηςκ Οζ ζδιακηζηυηενεξ ηαηδβμνίεξ κακμεβηθεζζιάηςκ είκαζ: Αζεάθδ ηαζ πονζηία. Φνδζζιμπμζμφκηαζ ςξ εκζζποηζηά ιέζα ζε εθαζημιενή. Απμηεθμφκηαζ απυ ζθαζνζηά ζςιαηίδζα (δζαζηάζεςκ -90 nm) ηαζ ζοζζςιαηχκμκηαζ ζε ιυκζιεξ ιεβαθφηενεξ δμιέξ ( ζςιαηζδίςκ). Θεναιζηά κακμζςιαηίδζα ιε ηεπκζηέξ Sol-Gel (Πονζηία, Αθμοιίκα, Τζηακία, Εζνημκία). Κε ηδ ιέεμδμ αοηή παναζηεοάγμκηαζ, επί ηυπμο ζηδκ πμθοιενζηή ιήηνα, ηα ηεναιζηά ζςιαηίδζα. Φοθθυιμνθμζ πδθμί. Δίκαζ θοζζηά ή ηεπκδηά οθζηά ηαζ απμηεθμφκηαζ απυ θφθθα πάπμοξ 1nm, πμο δζαηάζζμκηαζ ζε ζημζαάδεξ ιε ηαηζυκηα Λa + ζηα δζάηεκά ημοξ. Φνδζζιμπμζμφκηαζ ζηα κακμζφκεεηα οθζηά αθμφ ηνμπμπμζ δεμφκ, χζηε μζ ζημίαεξ κα δζαπςνζζεμφκ ζε ιειμκςιέκα ζηνχιαηα. Οζ θοθθυιμνθμζ πδθμί ζοιαάθθμοκ, θυβς ημο ιζηνμφ πάπμοξ ηαζ ηδξ ιεβάθδξ ημοξ επζθάκεζαξ, ζηδ αεθηίςζδ ηςκ ζδζμηήηςκ θναβιμφ. Λακμζςθήκεξ άκεναηα. Δίκαζ ζςθήκεξ δζαιέηνμο ηδξ ηάλδξ ημο nm ηαζ ιήημοξ 3-50 ιm. Δθανιυγμκηαζ οπυ ιμνθή εβηθεζζιάηςκ ζε πμθοιενζηέξ ιήηνεξ, δζυηζ πανμοζζάγμοκ εκδζαθένμοζεξ ιδπακζηέξ ηαζ δθεηηνζηέξ ζδζυηδηεξ. Φμοθενέκζα ηαζ POSS(Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane). Τμ θμοθενέκζμ απμηεθείηαζ απυ 60 άημια άκεναηα πμο ζπδιαηίγμοκ ιία ζθαζνζηή δμιή (δζαιέηνμο ιενζηχκ nm), εκχ ημ POSS έπεζ ηδ ιμνθή ηφαμο ιε άημια πονζηίμο ζηζξ ημνοθέξ ηαζ άημια μλοβυκμο ζηα ιέζα ηςκ αηιχκ. Φνδζζιμπμζμφκηαζ ακηίζημζπα ζε εθανιμβέξ μπημδθεηηνμκζηήξ ηαζ αεθηίςζδξ ηδξ ιδπακζηήξ ακημπήξ [Sperling L. H, 2006], [ Σζιζηγήξ, 2004], [Πίζζδξ, 2003].

23 Κεφάλαιο 1 Σύνθετα υλικά 1.7 Υανζδζηά Σφκεεηα Υθζηά Έκαξ ζπεηζηά κέμξ ηφπμξ ζφκεεημο οθζημφ είκαζ ηα οανζδζηά, ηα μπμία θαιαάκμκηαζ πνδζζιμπμζχκηαξ δφμ ή ηνία δζαθμνεηζηά είδδ εκίζποζδξ ιέζα ζε ιία ηαζ ιμκαδζηή ιήηνα. Τα οανζδζηά οθζηά έπμοκ ηαθφηενμ ζοκμθζηά ζοκδοαζιυ ζδζμηήηςκ απυ ηα ζφκεεηα οθζηά ηα μπμία πενζέπμοκ έκα ιμκαδζηυ ηφπμ εκίζποζδξ. Κία πμζηζθία ζοκδοαζιχκ οθζηχκ ηαζ ιήηναξ ιπμνμφκ κα πνδζζιμπμζδεμφκ βζα ηδκ Παναζηεοή οανζδζηχκ ζοκεέηςκ. Υπάνπεζ έκαξ ανζειυξ ιεευδςκ ιε ηζξ μπμίεξ δφμ δζαθμνεηζηέξ εκζζπφζεζξ ιπμνμφκ κα ζοκδοαζημφκ ηαζ μζ μπμίεξ εα επδνεάζμοκ ηεθζηά ηζξ ζοκμθζηέξ ζδζυηδηεξ ημο οθζημφ. Γζα πανάδεζβια μζ εκζζπφζεζξ ιπμνεί κα είκαζ υθεξ εοεοβναιιζζιέκεξ ηαζ ακαιειζβιέκεξ ζε πμθφ ιζηνά δζαζηήιαηα δ ιία απυ ηδκ άθθδ ή ιπμνμφκ κα ηαηαζηεοαζημφκ πμθφζηνςηα οθζηά ηα μπμία απμηεθμφκηαζ απυ έκα ηαζ ιμκαδζηυ ηφπμ εκίζποζδξ. Οζ ζδζυηδηεξ ηςκ πενζζζυηενςκ οανζδζηχκ οθζηχκ είκαζ ακζζμηνμπζηέξ [Callister 2004]. 1.8 Κδπακζζιμί Πνυζθοζδξ ζηδ Γζεπζθάκεζα Κήηναξ - Δβηθείζιαημξ Τα ζφκεεηα οθζηά, ζηδκ ηεθζηή ημοξ ιμνθή, ανίζημκηαζ ζε ζηενεή ηαηάζηαζδ ηαζ απμηεθμφκηαζ απυ ηδ ιήηνα ηαζ ημ έβηθεζζια. Ζ ημζκή ημοξ επζθάκεζα ζημ εζςηενζηυ ημο ζηενεμφ δείβιαημξ ηαθείηαζ δζεπζθάκεζα. Ο νυθμξ ηδξ είκαζ δ ιεηααίααζδ ηςκ ηάζεςκ απυ ηδκ αζεεκέζηενδ θάζδ (ιήηνα) ζηδκ ζζπονυηενδ (έβηθεζζια). Ζ πνυζθοζδ ηςκ εβηθεζζιάηςκ ιε ηδ ιήηνα βίκεηαζ ιε ημοξ ελήξ ιδπακζζιμφξ [Ζull, 1981], [Γαθζχηδξ, 2004] : 1. Δκδμδζάποζδ 2. Ζθεηηνμζηαηζηήξ έθλδξ 3. Φδιζηή ζφκδεζδ 4. Κδπακζηή πνυζθοζδ Σπήια 1.4: Τνυπμζ πνυζθοζδξ ιεηαλφ ηςκ επζιένμοξ θάζεςκ ημο ζοκεέημο οθζημφ (α) Δκδμδζάποζδ, (α) Ζθεηηνμζηαηζηή έθλδ, (β) Φδιζηυξ δεζιυξ ηαζ (δ) Κδπακζηή πνυζθοζδ. 11

24 Κεφάλαιο 1 Σύνθετα υλικά 1. Δκδμδζάποζδ Ζ εκδμδζάποζδ πενζβνάθεζ ιία δζαδζηαζία ηαηά ηδκ μπία ζπδιαηίγεηαζ δεζιυξ ιεηαλφ δφμ πμθοιενζηχκ επζθακεζχκ απυ ημ ιμνζαηυ δίηηομ ηδξ ιζαξ επζθάκεζαξ ζε αοηυ ηδξ άθθδξ. Τμ ααζζηυ παναηηδνζζηζηυ ημο ιδπακζζιμφ ηδξ εκδμδζάποζδξ είκαζ υηζ πνέπεζ κα οθίζηαηαζ εενιμδοκαιζηή ζζμννμπία ακάιεζα ζηα δφμ ζοζηαηζηά. Ζ ζζπφξ ημο δεζιμφ ελανηάηαζ απυ ημ ιέβεεμξ, αθθά ηαζ ημκ ανζειυ ηςκ ιμνίςκ πμο ζοιιεηέπμοκ ζηδ δζαδζηαζία αοηή. Ζ επζηάθορδ π.π. ζκχκ δζαθυνςκ οθζηχκ ιε πμθοιενζηά θζθι απμζημπεί ζηδκ εηιεηάθθεοζδ ηδξ δδιζμονβίαξ ηέημζμο είδμοξ δεζιχκ ιε ηδκ ιήηνα (Σπήια 1.4) [D. Hull, 1981]. 2. Ζθεηηνμζηαηζηή Έθλδ Σηδ δζαδζηαζία αοηή ειθακίγμκηαζ εθηηζηέξ δοκάιεζξ πμο ακαπηφζζμκηαζ ιεηαλφ ακηίεεηα θμνηζζιέκςκ επζθακεζχκ. Ζ ζζπφξ ηέημζμο είδμοξ δεζιχκ ελανηάηαζ απυ ηδκ ποηκυηδηα θμνηίμο. Ακ ηαζ δ δθεηηνμζηαηζηή έθλδ είκαζ πμθφ δφζημθμ κα ζοκεζζθένεζ ζδιακηζηά ζηδκ ζζπφ ημο δεζιμφ εβηθείζιαημξ ιήηναξ, παν υθα αοηά ζοιαάθθεζ ιε ημκ ηνυπμ ηδξ ζηδ ζφκδεζδ ηςκ ζοζηαηζηχκ ηςκ ιζβιάηςκ (Σπήια 1.4α) [Παπακζημθάμο, 2007]. 3. Φδιζηή Σφκδεζδ Δίκαζ δ παθαζυηενδ ηαζ δ πζμ βκςζηή απυ υθεξ ηζξ εεςνίεξ πνυζθοζδξ. Σε αοηυ ημ ιδπακζζιυ πνυζθοζδξ, μ δεζιυξ ζπεηίγεηαζ ακάιεζα ζε ιζα πδιζηή μιάδα ζηδκ επζθάκεζα ηδξ ίκαξ ηαζ ιία άθθδ ζογοβή μιάδα ζηδκ επζθάκεζα ηδξ ιήηναξ. Αοηέξ μζ πδιζηέξ αθθδθεπζδνάζεζξ, ιπμνμφκ κα ακαπαναζηαεμφκ ιε ημοξ δεζιμφξ Α-Β (Σπήια 1.4β). Ζ δδιζμονβία αοημφ ημο δεζιμφ πνμηφπηεζ απυ ηδκ πναβιαημπμίδζδ πδιζηχκ ακηζδνάζεςκ. Ζ ζζπφξ ηδξ πνυζθοζδξ είκαζ ζοκάνηδζδ ημο ανζειμφ ηαζ ημο ηφπμο ηςκ δεζιχκ. Οζ δζαδζηαζίεξ ζπδιαηζζιμφ ηαζ ηαηαζηνμθήξ ηδξ ζφκδεζδξ ανίζημκηακ ζε ιζα εενιζηά εκενβή δοκαιζηή ζζμννμπία. Ωζηυζμ, μζ ιδπακζηέξ ηαζ μζ θοζζηέξ ζδζυηδηεξ πμο έπεζ δ δζεπζθάκεζα δζαθένμοκ απυ αοηέξ ηςκ ζοζηαηζηχκ ημο ζοκεέημο οθζημφ ηαζ ιυκμ βζα θυβμοξ ακαθοηζημφξ εεςνείηαζ ιδδεκζημφ πάπμοξ (interface). Πανυθα αοηά ηαηά ηδ δζάνηεζα ηαηαζηεοήξ εκυξ ζοκεέημο οθζημφ απαζηείηαζ κα ιεηαηναπεί ιζα ηενάζηζα πμζυηδηα επζθάκεζαξ ηςκ ζκχκ εκίζποζδξ ζε δζεπζθάκεζα βζα ηδ δδιζμονβία δζεπζθακεζαημφ δεζιμφ πμο έπεζ ςξ νυθμ ηδ ιεηαθμνά ηςκ δοκάιεςκ απυ ηδ ιήηνα ζημ εκζζποηζηυ ιέζμ. Σηδ δζαδζηαζία αοηή, επζδνμφκ πμθθμί πανάβμκηεξ, χζηε ημπζηά κα ιεηααάθθμκηαζ μζ ζδζυηδηεξ ηαζ ηςκ δφμ επζθακεζχκ ηςκ ζοζηαηζηχκ, θυβς απμννυθδζδξ, πδιζηχκ ακηζδνάζεςκ ηαζ δζάθμνςκ εενιζηχκ θαζκμιέκςκ. Οζ θοζζημπδιζηέξ δνάζεζξ αοηέξ εηηείκμκηαζ ζε 12

25 Κεφάλαιο 1 Σύνθετα υλικά αάεμξ ιέπνζ ηαζ ιενζηέξ εηαημκηάδεξ κακυιεηνα, δδιζμονβχκηαξ έηζζ ιζα ιεζυθαζδ ιεηαλφ ιήηναξ ηαζ ίκαξ ή αθθζχξ ιία δζεπζθάκεζα πεπεναζιέκμο ιεβέεμοξ (interphase) [D. Hull,1996]. 4. Κδπακζηή Πνυζθοζδ Κενζημί δεζιμί ιπμνεί κα δδιζμονβδεμφκ απθά απυ ημ ιδπακζηυ αβηίζηνςια (interlocking) ηςκ δφμ επζθακεζχκ, υπςξ θαίκεηαζ ζημ Σπήια 1.4δ. Κία νδηίκδ βζα πανάδεζβια πμο δζαανέπεζ εκηεθχξ ηδκ επζθάκεζα ηδξ ίκαξ αημθμοεεί ηάεε θεπημιένεζα ηδξ επζθάκεζαξ. Ζ ακημπή αοηήξ ηδξ δζεπζθάκεζαξ ζε θυνηζζδ δεκ ακαιέκεηαζ κα είκαζ ιεβάθδ, εηηυξ ακ μζ επζθακεζαηέξ ακςιαθίεξ ηείκμοκ πνμξ ημ εζςηενζηυ ηδξ ίκαξ. Δπζπθέμκ δ ηναπφηδηα είκαζ εεηζηυξ πανάβμκηαξ εθυζμκ οπάνπεζ πθήνδξ δζαανμπή. Σε ακηίεεηδ πενίπηςζδ, ακ ημ οβνυ δεκ ιπμνεί κα εζζπςνήζεζ ζηζξ ακμιμζμιμνθίεξ ηδξ ίκαξ, δ ζηθήνοκζδ ηδξ νδηίκδξ ζοκμδεφεηαζ απυ ηδ δδιζμονβία δζεπζθακεζαηχκ ηεκχκ, πμο πζεακυ κα μδδβήζμοκ ζε αζημπία δζεπζθακεζαημφ δεζιμφ. Έκαξ άθθμξ πανάβμκηαξ πμο ζπεηίγεηαζ ιε ηδκ ηναπφηδηα ηδξ επζθάκεζαξ ηδξ ίκαξ είκαζ δ δοκαηυηδηα βζα αολδιέκδ ακημπή ημο δεζιμφ (πδιζημφ ίζςξ) θυβς ιεβαθφηενδξ επζθάκεζαξ. Δηηυξ απυ ηδκ απθή βεςιεηνζηή πθεονά ηδξ ιδπακζηήξ ζοβηυθθδζδξ, οπάνπμοκ πμθθέξ εζςηενζηέξ ηάζεζξ ζε έκα ζφκεεημ οθζηυ, πμο ακαπηφζμκηαζ ηαηά ηδκ παναβςβζηή δζαδζηαζία ηαζ ηζξ δμηζιέξ ιδπακζηχκ ζδζμηήηςκ. Έηζζ βζα πανάδεζβια, δ ζοζημθή ηδξ νδηίκδξ ηαηά ηδκ ζηθήνοκζδ εενιμζδθδνοκυιεκςκ πμθοιενχκ ηαζ δ δζαθμνεηζηή εενιζηή δζαζημθή ιεηαλφ ίκαξ ηαζ ιήηναξ, ιπμνμφκ κα δδιζμονβήζμοκ εθθεηοζηζηέξ, εθζπηζηέξ ηαζ δζαηιδηζηέξ ηάζεζξ ζηδ δζεπζθάκεζα ακάθμβα ιε ηδ βεςιεηνία ηςκ ζκχκ. Σπήια 1.5 Ανπζηεηημκζηή ηδξ δζεπζθάκεζαξ ίκαξ/ιήηναξ [Γαθζχηδξ, 2004]. 13

26 Κεφάλαιο 1 Σύνθετα υλικά 1.9 Δθανιμβέξ κακμζφκεεηςκ οθζηχκ 1. Γμιζηή εκίζποζδ Τα κακμζφκεεηα οθζηά πζζηεφεηαζ υηζ εα πνδζζιμπμζδεμφκ ζε εθανιμβέξ ηίκδζδξ υπμο πνεζάγεηαζ ορδθή αηαιρία ζε ζοκδοαζιυ ιε ημ ιζηνυ αάνμξ (αοημηίκδηα, αενμζηάθδ η.α.) Δπζπθέμκ, δ πνήζδ ηςκ κακμεβηθεζζιάηςκ έπεζ ακμίλεζ ηδ δοκαηυηδηα ηδξ εκίζποζδξ θεπηχκ ζοζηδιάηςκ υπμο μζ ζοιααηζηέξ ίκεξ δεκ ιπμνμφκ κα θζθμλεκδεμφκ, υπςξ ηα θεπηά οιέκζα πμο ανίζημοκ εθανιμβέξ ζε πμθθμφξ ημιείξ ηςκ πεηνμπδιζηχκ αζμιδπακζχκ ηαζ ζε ιειανάκεξ ζηδ αζμζαηνζηή. 2. Αζζεδηήνεξ Σημοξ αζζεδηήνεξ ζηυπμξ είκαζ κα ιπμνμφκ κα πνδζζιμπμζμφκηαζ οθζηά ιε έκα εονφ θάζια απυ αβςβζιυηδηεξ, απυ μνβακζημοξ διζαβςβμφξ έςξ δθεηηνζηά αβχβζια πμθοιενή. 3. Δθανιμβέξ δθεηηνμιαβκδηζηήξ εςνάηζζδξ Οζ εθανιμβέξ αοηχκ ηςκ οθζηχκ λεηζκμφκ απυ ηαζ δθεηηνμκζηυ ζημίααβια (electronic packaging), ιέπνζ ηεναίεξ ηδθεπζημζκςκζχκ, ελανηδιάηςκ ηζκδηχκ ηδθεθχκςκ ηαζ επζζηνχζεζξ εςνάηζζδξ βζα αενμζηάθδ ηαζ δθεηηνμκζηά ηοηθχιαηα. 4. Παναβςβή ηαζ απμεήηεοζδ εκένβεζαξ Οζ πζμ εονέςξ ιεθεηδιέκεξ εθανιμβέξ κακμζοκεέηςκ βναθεκίμο είκαζ ςξ δθεηηνυδζα, ζε ιπαηανίεξ ζυκηςκ θζείμο, δζαηάλεζξ οπενποηκςηχκ ηαζ δθζαηέξ ηορέθεξ (π.π. ημ βναθέκζμ ζοκδοάγεζ ιεβάθδ δθεηηνζηή αβςβζιυηδηα ιε 98% δζέθεοζδ θςηυξ ). 5. Γζαηάλεζξ ιίηνμ-κακμδθεηηνμκζηήξ Τα κακμζφκεεηα βναθεκίμο εζηάγεηαζ υηζ ιπμνμφκ κα ακηζηαηαζηήζμοκ ημ πονίηζμ ζηα ηνακγίζημν εηπμιπήξ πεδίμο, ζε εφηαιπηεξ μευκεξ αθήξ ηαζ κα ακμίλμοκ ημ ηεθάθαζμ ηδξ ζπζκηνμκζηήξ. 14

27 Κεφάλαιο 1 Σύνθετα υλικά 6. Δοθοή Σοζηήιαηα Έκα αηυιδ αήια βζα ηα πμθοθεζημονβζηά πμθοιενή κακμζφκεεηα είκαζ δ ακάπηολδ ζοζηδιάηςκ ηα μπμία ακηαπμηνίκμκηαζ ζε ελςηενζηά ενεείζιαηα. Τέημζα κακμζφκεεηα έπμοκ ήδδ πενζβναθεί ιε ηνία δζαθμνεηζηά ενεείζιαηα, ημ θςξ, ημ δθεηηνζηυ πεδίμ ηαζ ηδ εενιμηναζία [Liang, 2009], [Sun, 2011]. 7. Δθανιμβέξ ζηδκ αενμδζαζηδιζηή Ζ πνήζδ εθαθνχκ ηαηαζηεοαζηζηχκ οθζηχκ ζηδκ αενμδζαζηδιζηή ζδιαίκεζ είηε αφλδζδ ημο ςθέθζιμο θμνηίμο είηε ιείςζδ ημο ηυζημοξ θεζημονβίαξ βζα ηδ ιεηαθμνά ημο ίδζμο ςθέθζιμο θμνηίμο. Έκα παναηηδνζζηζηυ πανάδεζβια μζημκμιζημφ μθέθμοξ απυ ηδ πνήζδ ηςκ εθαθνχκ ζοκεέηςκ οθζηχκ είκαζ δ πενίπηςζδ πνήζδξ ηςκ οθζηχκ αοηχκ ζηδκ ηεπκμθμβία ηαηαζηεοήξ ηςκ δζαζηδιμπθμίςκ υπμο ημ ηυζημξ ηδξ εηηυλεοζδξ ιπμνεί πμθθέξ θμνέξ κα λεπενκά ημ ηυζημξ ημο ζπεδζαζιμφ ηαζ ηδξ ηαηαζηεοήξ ημο δζαζηδιμπθμίμο. Έηζζ, πμθοιενή εκζζποιέκα ιε ίκεξ άκεναηα ηαζ Kevlar ζοπκά πνδζζιμπμζμφκηαζ βζα ηδκ ηαηαζηεοή ααζζηχκ ηιδιάηςκ δζαζηδιμπθμίςκ ηαζ αενμζηαθχκ, υπςξ είκαζ μζ ηεναίεξ ζπήιαημξ δίζημο, ηα αοηυηθεζζηα βζα ηα αένζα ηαφζδξ ηαεχξ ηαζ ηδκ ηαηαζηεοή ηςκ ηχκςκ. 8. Δθανιμβέξ ζηδ καοπδβζηή ηαζ ζηδ αζμιδπακία αεθδηζηχκ εζδχκ Οζ ειπεζνίεξ ηαζ μζ βκχζεζξ πμο απμηηήεδηακ απυ ηδκ εθανιμβή ηςκ ζοκεέηςκ οθζηχκ ζηδκ αενμδζαζηδιζηή ιεηαθένεδηακ ζηδ καοπδβζηή. Ο ημιέαξ ηδξ καοπδβζηήξ απμηεθεί έκα πανάδεζβια υπμο ηα πθαζηζηά εκζζποιέκα ιε βοαθί έπμοκ ακηζηαηαζηήζεζ ζπεδυκ πθήνςξ ηα παναδμζζαηά οθζηά ηαζ ζδζαίηενα ημ λφθμ. Ζ παιδθή ποηκυηδηα, δ ιεβάθδ ακηίζηαζδ ζε δζάανςζδ ηαζ δ εοημθία παναβςβήξ μθυζςιςκ ηιδιάηςκ ημο ζηάθμοξ ιε πφηεοζδ ζε ηαθμφπζα, είκαζ μζ πανάιεηνμζ πμο μδήβδζακ ζηδκ ακάπηολδ ιζηνχκ αζμιδπακζχκ ηαηαζηεοήξ ζηαθχκ ακαροπήξ εκχ δ ιείςζδ ημο ηυζημοξ ηςκ επζζηεοχκ μδήβδζε ζηδ πνήζδ ηςκ οθζηχκ αοηχκ ζημκ εονφηενμ ημιέα ηδξ καοπδβζηήξ. Έηζζ, ζφκεεηα οθζηά πνδζζιμπμζήεδηακ βζα ηδκ ηαηαζηεοή ζηαθχκ ακαροπήξ, ιε απμηέθεζια ηδ ιείςζδ ημο αάνμοξ ημοξ ηαζ ηδκ ηαοηυπνμκδ αεθηίςζδ ηδξ ζοιπενζθμνάξ ημοξ ηαζ αφλδζδ ηδξ ηαπφηδηάξ ημοξ. Σηδ ζοκέπεζα, δ πνήζδ ηςκ ζοκεέηςκ οθζηχκ επεηηάεδηε ζηδκ ηαηαζηεοή αεθδηζηχκ εζδχκ υπςξ είκαζ ηα πέδζθα ζηζ, ηα ιπαζημφκζα ημο βημθθ, ηα ηαθάιζα ρανέιαημξ, ηα πθαίζζα ηςκ πμδδθάηςκ ηαζ άθθα. 15

28 Κεφάλαιο 1 Σύνθετα υλικά 9. Δθανιμβέξ ζηδκ ζαηνζηή Λέα πμθοιενή, ηεναιζηά ηαζ ζφκεεηα οθζηά ζοβηαηαθέβμκηαζ ιεηαλφ ηςκ πμθοάνζειςκ οθζηχκ πμο επζηνέπμοκ ζημοξ ιδπακζημφξ πμο αζπμθμφκηαζ ιε εέιαηα ζαηνζηήξ κα ζπεδζάγμοκ ηεπκδηά αζμζοιααηά ιμζπεφιαηα βζα ηδκ ακηζηαηάζηαζδ ακενχπζκςκ ζζηχκ ή μνβάκςκ πμο πανμοζζάγμοκ ηάπμζα αθάαδ. Ζ ακάπηολδ ηδξ επζζηήιδξ ηςκ πμθοιενχκ ηαζ ηςκ ζοκεέηςκ οθζηχκ έδςζε απακηήζεζξ ζηδκ ακαγήηδζδ κέςκ αζμτθζηχκ, ιε απμηέθεζια ζήιενα κα είκαζ δοκαηυκ κα ιζθάιε βζα ηδκ ηαηαζηεοή ηεπκδηήξ ηανδζάξ, ηεπκδηχκ ααθαίδςκ, ηεπκδημφ δένιαημξ ιε ζημπυ ηδκ ακηζηαηάζηαζδ ημο θοζζημφ ζε πενζπηχζεζξ εβηαοιάηςκ ηνίημο ααειμφ, ηεπκδηχκ ιεθχκ ημο ζχιαημξ, ηθπ. Σηδκ μδμκηζαηνζηή, κέεξ ημκίεξ, υπςξ μζ οαθμσμκμιενείξ, δεκ είκαζ ηίπμηε άθθμ πανά ημηηχδδ ζφκεεηα οθζηά. Όιμζα, δ εθανιμβή ηςκ ζοκεέηςκ οθζηχκ ζηδ κέα ηεπκμθμβία ηςκ ειθοηεοιάηςκ απμηεθεί επακάζηαζδ ζηδκ μδμκηζαηνζηή.. Οζημδμιέξ Ζ ηαηαζηεοή μνυθςκ απυ ζφκεεηα οθζηά έπεζ ζακ απμηέθεζια, θυβς ημο ιζηνμφ ημοξ αάνμοξ ηδκ μζημκμιία ζημ ζπεδζαζιυ ηαζ ηδκ ηαηαζηεοή ηςκ ζημζπείςκ οπμζηήνζλδξ ηςκ μνυθςκ. 11. Κεηαθμνέξ Ο θυβμξ ηδξ πνήζδξ ηςκ ζφκεεηςκ οθζηχκ ζηζξ πενζαίεξ ιεηαθμνέξ μθείθεηαζ ηαηά έκα ιένμξ ζηδ ιείςζδ ημο ηυζημοξ ηαηαζηεοήξ ηαζ ηαηά έκα ιένμξ ζηδ ιείςζδ ημο αάνμοξ ηαζ άνα ζηδκ ελμζημκυιδζδ εκένβεζαξ (ηαοζίιςκ). 12. Δθανιμβέξ ζηδκ παναβςβή ακηζδζαανςηζηχκ Οζ εθανιμβέξ ηςκ ζφκεεηςκ ζηδ βεςνβία ηαζ ζηδκ ηαηαζηεοή δελαιεκχκ ηαζ ζςθήκςκ βζα αζμιδπακζημφξ ζημπμφξ ααζίγεηαζ ζημ ζοκδοαζιυ ημο παιδθμφ εζδζημφ αάνμοξ ηαζ ηδκ ακηίζηαζδ ζηδ δζάανςζδ. 16

29 Κεφάλαιο 1 Σύνθετα υλικά Σοιπεναζιαηζηά εα ιπμνμφζαιε κα πμφιε υηζ δ επζζηήιδ ηςκ ζοκεέηςκ οθζηχκ έπεζ έκα πμθφ ιεβάθμ πανεθευκ, έκα δοκαιζηυ πανυκ, ηαζ έκα αηυια πζμ εθπζδμθυνμ ιέθθμκ. Θα ήηακ πνήζζιμ κα ημκίζμοιε υηζ δ επζζηήιδ ζοκεέηςκ οθζηχκ είκαζ ιζα δζεπζζηδιμκζηή πενζμπή ένεοκαξ υπμο επζζηήιμκεξ δζαθμνεηζηχκ εζδζημηήηςκ πνέπεζ κα ζοκενβαζημφκ βζα κα επζηφπμοκ έκα ηαηά ημ δοκαηυκ αέθηζζημ απμηέθεζια [Παπακζημθάμο],[ Κμογάηδξ 2007]. Σπήια 1.6; Ζ επζζηήιδ ηςκ ζφκεεηςκ οθζηχκ είκαζ ιζα δζεπζζηδιμκζηή πενζμπή ένεοκαξ [Παπακζημθάμο, 2007]. 17

30 Κεφάλαιο 2 Θεωρία διηλεκτρικών ΚΔΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΘΔΧΡΙΑ ΓΙΗΛΔΚΣΡΙΚΧΝ 2.1 Γηειεθηξηθά Τιηθά Έλα πιηθό ην νπνίν κπνξεί λα πνισζεί ππό ηελ επίδξαζε εμσηεξηθνύ ειεθηξηθνύ πεδίνπ νλνκάδεηαη δηειεθηξηθό. Σνπνζεηώληαο έλα δηειεθηξηθό ζην εζσηεξηθό ειεθηξηθνύ πεδίνπ, ηα ζεηηθά ηνπ θνξηία σζνύληαη πξνο ηελ θαηεύζπλζε ηνπ πεδίνπ, ελώ ηα αξλεηηθά πξνο ηελ αληίζεηε. Πξνθύπηεη ζπλεπώο έλαο δηαρσξηζκόο ζεηηθώλ θαη αξλεηηθώλ θνξηίσλ ζε θάζε ζηνηρεηώδε όγθν ηνπ πιηθνύ, ελώ ην δηειεθηξηθό παξακέλεη ζπλνιηθά νπδέηεξν. Καηά ηελ δηαδηθαζία απηή ηα ειεθηξόληα ηνπ δηειεθηξηθνύ κεηαθηλνύληαη από ηηο ζέζεηο ηζνξξνπίαο ηνπο θαηά απνζηάζεηο κηθξόηεξεο ησλ αηνκηθώλ δηακέηξσλ θαη πξνθαλώο δελ πθίζηαηαη κεηαθνξά θνξηίνπ ζε καθξνζθνπηθέο απνζηάζεηο, όπσο ζα ζπλέβαηλε ζε έλαλ αγσγό. Σν θαηλόκελν νλνκάδεηαη πόισζε θαη αίξεηαη κε ηελ αθαίξεζε ηνπ ειεθηξηθνύ πεδίν, θαζώο ηα θνξηία επηζηξέθνπλ ζηηο αξρηθέο ηνπο ζέζεηο [Γ. Υ. Φαξξάο,2004]. Σα πιηθά πνπ αλαθέξνληαη σο δηειεθηξηθά, θαηαηάζζνληαη ζε δύν βαζηθέο θαηεγνξίεο: Σα πνιηθά δηειεθηξηθά, ηα κόξηα ησλ νπνίσλ έρνπλ κόληκε ειεθηξηθή ξνπή, θαζώο ηα «θέληξα βάξνπο» ησλ ζεηηθώλ θαη αξλεηηθώλ θνξηίσλ δελ ζπκπίπηνπλ. Δίλαη θαλεξό όηη, απμαλόκελεο ηεο δηαθνξάο ειεθηξαξλεηηθόηεηαο ησλ αηόκσλ πνπ ζρεκαηίδνπλ έλα κε ζπκκεηξηθό κόξην, απμάλεηαη θαη ε ηηκή ηεο δηπνιηθήο ξνπήο ηνπ αληίζηνηρνπ κνξίνπ. Υαξαθηεξηζηηθό παξάδεηγκα πνιηθνύ κνξίνπ απνηειεί ην κόξην ηνπ HCl, όπσο επίζεο θαη ην κόξην ηνπ CO. Σα κε πνιηθά δηειεθηξηθά, ηα κόξηα ησλ νπνίσλ δελ έρνπλ κόληκε δηπνιηθή ξνπή, θαζώο ηα «θέληξα βάξνπο» ησλ ζεηηθώλ θαη αξλεηηθώλ θνξηίσλ ηνπο ζπκπίπηνπλ. Μόξηα ζπκκεηξηθά δηεπζεηεκέλα ζηνλ ρώξν, πνπ παξνπζηάδνπλ γεσκεηξηθό θέληξν ζπκκεηξίαο είλαη κε πνιηθά. Παξάδεηγκα κε πνιηθνύ κνξίνπ είλαη ην κόξην ηνπ CH4, όπσο επίζεο θαη ηα κόξηα όισλ ησλ δηαηνκηθώλ αεξίσλ [Γ. Υ. Φαξξάο,2004]. 18

31 Κεφάλαιο 2 Θεωρία διηλεκτρικών ρήκα 2.1 : ρεκαηηθε απεηθόλεζε πνιηθώλ θαη κε πνιηθσλ κνξίσλ [Γ. Υ. Φαξξάο,2004]. 2.2 Πόισζε θαη Πνισζηκόηεηα Αλ ππνζέζνπκε όηη ζε έλα δηειεθηξηθό πιηθό ππάξρνπλ n δίπνια αλά κνλάδα όγθνπ θαη όηη ην θαζέλα έρεη δηπνιηθή ξνπή κ, ηόηε ε πόισζε ηνπ πιηθνύ ζα είλαη ην αλπζκαηηθό κέζν άζξνηζκα ησλ δηπνιηθώλ ξνπώλ: n P (2.1) i1 ε έλα ηζόηξνπν δηειεθηξηθό θαη απνπζία εμσηεξηθνύ πεδίνπ, ην άζξνηζκα ηεο εμίζσζεο (2.1) ζα είλαη ίζν κε κεδέλ, εθόζνλ ηα δίπνια είλαη ηπραία δηεπζεηεκέλα. Με ηελ εθαξκνγή όκσο ειεθηξηθνύ πεδίνπ, ηα κόληκα δίπνια ηείλνπλ λα επζπγξακκηζηνύλ κε ηελ δηεύζπλζε ηνπ πεδίνπ. Δπηπιένλ, εκθαλίδνληαη επαγόκελα δίπνια ζην πιηθό, δεκηνπξγώληαο κία επηπξόζζεηε ζπληζηώζα mεπαγ δηπνιηθήο ξνπήο, πνπ πξνζηίζεηαη ζηελ πξνππάξρνπζα. m i i i mi, (2.2) Σν ηειηθό απνηέιεζκα είλαη ε ζπληζηακέλε πόισζε ηνπ δηειεθηξηθνύ λα είλαη δηάθνξε ηνπ κεδελόο θαη λα έρεη σο δηεύζπλζε θαη θνξά απηήλ ηνπ πεδίνπ. Αλ ην δηειεθηξηθό απνηειείηαη από n αλά κνλάδα όγθνπ κόξηα ησλ νπνίσλ ε δηπνιηθή ξνπή είλαη m, ηόηε ε πόισζε ηνπ πιηθνύ ζα είλαη: n i (2.3) i1 P m nm 19

32 Κεφάλαιο 2 Θεωρία διηλεκτρικών Σν πεδίν πνπ δξα ζε έλα κόξην είλαη δηαθνξεηηθό από ην εθαξκνδόκελν πεδίν θαη απηό γηαηί ηα κόξηα αιιειεπηδξνύλ ην έλα κε ην άιιν, επηθέξνληαο έηζη ζεκαληηθή ηξνπνπνίεζε ηνπ πεδίνπ πνπ ηειηθά ζα πνιώζεη ην κόξην. Η ζπλνιηθή ξνπή πνπ απνθηά έλα άηνκν ή έλα κόξην κέζα ζε ειεθηξηθό πεδίν, δειαδή mi i,, ζηελ πεξίπησζε ησλ γξακκηθώλ δηειεθηξηθώλ, δίλεηαη από ηε ζρέζε: m m a E ' (2.4) όπνπ Δ είλαη ην ηνπηθό πεδίν, πνπ δξα ζην ζπγθεθξηκέλν άηνκν ή κόξην θαη όρη ην εθαξκνδόκελν πεδίν θαη α είλαη ε νιηθή πνισζηκόηεηα πνπ δίλεηαη από ηελ ζρέζε: e (2.5) Η πνισζηκόηεηα ή αιιηώο ν ζπληειεζηήο πόισζεο είλαη κηα ειεθηξηθή παξάκεηξνο πνπ εθθξάδεη ηελ ηθαλόηεηα πόισζεο ησλ αηόκσλ ή ησλ κνξίσλ ηνπ δηειεθηξηθνύ θαη δηαθξίλεηαη ζηελ πνισζηκόηεηα παξακόξθσζεο θαη ζηελ πνισζηκόηεηα πξνζαλαηνιηζκνύ. Μνλάδεο ηεο πνισζηκόηεηαο είλαη cm -3 [R. A. Levy,1974]. Η πνισζηκόηεηα παξακόξθσζεο δηαθξίλεηαη ζε δύν είδε: α) Ηιεθηξνληθή πνισζηκόηεηα, αe. Σν εθαξκνδόκελν πεδίν παξακνξθώλεη ηελ ζθαηξηθή ζπκκεηξία ηεο δνκήο ηνπ αηόκνπ, πξνθαιώληαο κηθξή κεηαηόπηζε ηνπ θέληξνπ ησλ αξλεηηθώλ θνξηίσλ ησλ ειεθηξνλίσλ ζε ζρέζε κε ην θέληξν ζεηηθώλ θνξηίσλ ηνπ ππξήλα. Σα άηνκα απνθηνύλ έηζη ειεθηξηθή δηπνιηθή ξνπή θαη ηειηθά θάζε άηνκν ραξαθηεξίδεηαη από ειεθηξνληθή πνισζηκόηεηα. Άηνκα κε πεξηζζόηεξα από έλα ειεθηξόληα παξνπζηάδνπλ ειεθηξνληθή πνισζηκόηεηα πνπ ε ηηκή ηεο ππεξβαίλεη ηελ αληίζηνηρε ηηκή, αηόκσλ κε έλα ειεθηξόλην. (ρήκα 2.2) β) Αηνκηθή ή Ινληηθή πνισζηκόηεηα, αα. ε έλα ζύλνιν κνξίσλ, ε επίδξαζε ελόο εμσηεξηθνύ ειεθηξηθνύ πεδίνπ πξνθαιεί κεηαηόπηζε ησλ αηόκσλ θαη ησλ ηόλησλ από ηηο ζέζεηο ηζνξξνπίαο ηνπο, δεκηνπξγώληαο ηελ ηνληηθή ή αηνκηθή πνισζηκόηεηα. Πξόθεηηαη δειαδή γηα ηελ ζπλεηζθνξά ζηε δηπνιηθή ξνπή από ηελ παξακόξθσζε ησλ κνξίσλ ιόγσ πεδίνπ.(ρήκα 2.2) Η πνισζηκόηεηα πξνζαλαηνιηζκνύ (απξ) πξνθύπηεη από ηελ πεξηζηξνθή ησλ κόληκσλ δηπνιηθώλ ξνπώλ ζηελ θαηεύζπλζε ηνπ εθαξκνδόκελνπ πεδίνπ. Δίλαη δειαδή ε ζπλεηζθνξά ζηελ δηπνιηθή ξνπή από ηνλ πξνζαλαηνιηζκό ησλ κόληκσλ δηπόισλ (ρήκα 2.2) [Γ. Υ. Φαξξάο,2004], [Levy, 1976]. 20

33 Κεφάλαιο 2 Θεωρία διηλεκτρικών ρήκα 2.2: Μεραληζκνί πόισζεο πνπ ζπλδένληαη κε ηα ηξία είδε πνισζηκόηεηαο, ειεθηξνληθή, αηνκηθή θαη πξνζαλαηνιηζκνύ [νπιηληδήο,2008]. πλδπάδνληαο ηηο ζρέζεηο (2.1), (2.4) θαη (2.5) πξνθύπηεη ε παξαθάησ ζρέζε: P nm nae 1 0E 0E 0E (2.6) ηελ (2.6) παξαηεξνύκε όηη ε πόισζε P είλαη αλάινγε κε ηελ δηειεθηξηθή ζηαζεξά ε. Η επίδξαζε ηεο ζεξκνθξαζίαο πνηθίιιεη ζηνπο δηάθνξνπο ηύπνπο πνισζηκόηεηαο (ζρήκα 2.3) Η ειεθηξνληθή θαη ε ηνληηθή πνισζηκόηεηα δελ επεξεάδνληαη από ηελ κεηαβνιή ηεο ζεξκνθξαζίαο. Η πνισζηκόηεηα πξνζαλαηνιηζκνύ εμαξηάηαη έληνλα από ηελ ζεξκνθξαζία, ε νπνία απνηειεί παξάγνληα θίλεζεο ησλ κόληκσλ δηπόισλ. ρήκα 2.3: ρεκαηηθή απεηθόληζε ηεο πνισζηκόηεηαο σο ζπλάξηεζε ηεο ζεξκνθξαζίαο [Γ. Υ. Φαξξάο,2004]. 21

34 Κεφάλαιο 2 Θεωρία διηλεκτρικών 2.3 Ηιεθηξηθή Γηαπεξαηόηεηα Όπσο ήδε αλαθέξακε, όηαλ έλα δηειεθηξηθό πιηθό ηνπνζεηεζεί ζην εζσηεξηθό ελόο ειεθηξηθνύ πεδίνπ ηόηε πξνθύπηεη δηαρσξηζκόο ζεηηθώλ θαη αξλεηηθώλ θνξηίσλ ζε θάζε ζηνηρεηώδε όγθν ηνπ πιηθόπ θαη ην θαηλόκελν απηό νλνκάδεηαη πόισζε. Η πόισζε P είλαη έλα δηαλπζκαηηθό κέγεζνο πνπ νξίδεηαη σο ε δηπνιηθή ξνπή αλά κνλάδα όγθνπ ηνπ πιηθνύ. Η επαγόκελε δηπνιηθή ξνπή ελόο αηόκνπ ή κνξίνπ είλαη αλάινγε πξνο ην εθαξκνδόκελν πεδίν. Όηαλ ηα κόξηα ελόο πιηθνύ έρνπλ κόληκεο δηπνιηθέο ξνπέο, ηόηε απνπζία πεδίνπ, ιόγσ ηπραίαο θαηαλνκήο από ηελ ζεξκηθή θίλεζε ην πιηθό δελ παξνπζηάδεη πόισζε θαζώο ε κέζε δηπνιηθή ξνπή αλά κνλάδα όγθνπ είλαη κεδέλ. Όηαλ όκσο ην πιηθό κε ηηο κόληκεο δηπνιηθέο ξνπέο βξεζεί κέζα ζε ειεθηξηθό πεδίν, ηα δηπνιηθά κόξηα πξνζαλαηνιίδνληαη ζηελ δηεύζπλζε ηνπ πεδίνπ θαη ην πιηθό απνθηά δηπνιηθή ξνπή θαη θαηά ζπλέπεηα πνιώλεηαη [Γ. Υ. Φαξξάο,2004]. Δίλαη γλσζηό όηη κεηαμύ ησλ νπιηζκώλ ελόο ππθλσηή πνπ θέξεη ζηαζεξό θνξηίν θαη δελ είλαη ζπλδεδεκέλνο κε πεγή, επηθξαηεί νκνγελέο πεδίν, έζησ, εληάζεσο Δ0. Όηαλ ηνπνζεηεζεί πιάθα από δηειεθηξηθό αλάκεζα ζηνπο νπιηζκνύο ηνπ ππθλσηή, ηόηε ην θαηλόκελν ηνπ πξνζαλαηνιηζκνύ κνλίκσλ θαη επαγόκελσλ δηπόισλ δηαρσξίδεη ειαθξά ηα θέληξα ζεηηθνύ θαη αξλεηηθνύ θνξηίνπ νιόθιεξεο ηεο πιάθαο. Η πιάθα σο ζύλνιν, παξ όηη παξακέλεη ειεθηξηθά νπδέηεξε πνιώλεηαη. Σν ηειηθό απνηέιεζκα είλαη κία ζπζζώξεπζε ζεηηθνύ θνξηίνπ ζηελ κία πιεπξά ηεο δηειεθηξηθήο πιάθαο θαη αξλεηηθνύ θνξηίνπ ζηελ άιιε. Γελ παξνπζηάδεηαη πεξίζζεηα θνξηίνπ ζε θαλέλα ζηνηρεηώδε όγθν ζην εζσηεξηθό ηεο πιάθαο. Δθόζνλ ε πιάθα παξακέλεη ζπλνιηθά νπδέηεξε, ην ζεηηθό εμ επαγσγήο επηθαλεηαθό θνξηίν ζα είλαη ίζν κε ην αξλεηηθό εμ επαγσγήο επηθαλεηαθό θνξηίν. Σα εμ επαγσγήο επηθαλεηαθά θνξηία εκθαλίδνληαη κε ηέηνην ηξόπν, ώζηε ην πξνθαινύκελν από απηά ειεθηξηθό πεδίν Δ1 λα είλαη αληίζεην ηνπ εμσηεξηθνύ πεδίνπ Δ0 πνπ δεκηνπξγεί ηελ εκθάληζή ηνπο. Σν ζπλνιηθό πεδίν Δ κέζα ζην δηειεθηξηθό, είλαη ην δηαλπζκαηηθό άζξνηζκα ησλ Δ1 θαη Δ0, έρεη ηελ θνξά ηνπ ηειεπηαίνπ, αιιά είλαη κηθξόηεξν από απηό. Γειαδή, αλ ηνπνζεηεζεί δηειεθηξηθό πιηθό κέζα ζε ειεθηξηθό πεδίν, ηόηε εκθαλίδνληαη εμ επαγσγήο επηθαλεηαθά θνξηία, πνπ ηείλνπλ λα εμαζζελίζνπλ ην αξρηθό πεδίν ζην εζσηεξηθό ηνπ δηειεθηξηθνύ. Ο ιόγνο ησλ δύν πεδίσλ, ηνπ αξρηθνύ Δ0 θαη ηνπ ηειηθνύ Δ, όπνπ Δ=Δ0-Δ1, ιέγεηαη δηειεθηξηθή δηαπεξαηόηεηα ηνπ κέζνπ ή δηειεθηξηθή ζηαζεξά [Γ. Υ. Φαξξάο,2004]. 1 (2.7) 22

35 Κεφάλαιο 2 Θεωρία διηλεκτρικών γξάθεηαη: Γηα ηελ πεξίπησζε ππθλσηή ρσξίο δηειεθηξηθό ν λόκνο ηνπ Gauss ds S q (2.8) όπνπ εν ε δηειεθηξηθή ζηαζεξά ηνπ θελνύ κε ηηκή 8, Cb 2 N -1 m -2, ελώ q είλαη ην θνξηίν ζηνπο νπιηζκνύο ηνπ ππθλσηή. Παξνπζία δηειεθηξηθνύ πιηθνύ, δηειεθηξηθήο ζηαζεξάο ε, ν λόκνο ηνπ Gauss γξάθεηαη: ds S q q 1 (2.9) όπνπ q1 είλαη ην εμ επαγσγήο επηθαλεηαθό θνξηίν, πνπ έρεη πξόζεκν αληίζεην ηνπ ειεύζεξνπ θνξηίνπ q. To q-q1 είλαη ην ζπλνιηθό θνξηίν κέζα ζηελ επηθάλεηα Gauss. Ο λόκνο Gauss γηα δηειεθηξηθό κπνξεί επίζεο λα γξαθηεί σο εμήο: EdS q (2.) ρήκα 2.4: Ππθλσηήο κε επίπεδνπο θαη παξάιιεινπο νπιηζκνύο (α) απνπζία, (β) παξνπζία δηειεθηξηθνύ [Γ. Υ. Φαξξάο,2004]. Αμίδεη λα ζεκεησζεί πσο ηα θνξηία q πνπ πεξηέρνληαη ζηελ επηθάλεηα Gauss είλαη κόλν ηα ειεύζεξα θνξηία θαζώο ε επίδξαζε ησλ επαγόκελσλ θνξηίσλ ιακβάλεηαη ππ όςελ κε ηελ εηζαγσγή ηνπ ε. Ο ιόγνο ησλ επαγόκελσλ επηθαλεηαθώλ θνξηίσλ αλά κνλάδα επηθάλεηαο ή αιιηώο ε επαγόκελε δηπνιηθή ξνπή (Μ) αλά κνλάδα όγθνπ ηνπ πιηθνύ είλαη ε πόισζε P ηνπ πιηθνύ. Γηα νπνηνδήπνηε δίπνιν ε δηεύζπλζε θαη θνξά ηεο πόισζεο είλαη ίδηα κε ηελ δηεύζπλζε θαη θνξά ηεο δηπνιηθήο ξνπήο, δειαδή από ην θέληξν ηνπ αξλεηηθνύ θνξηίνπ πξνο ην θέληξν ηνπ ζεηηθνύ [Γ. Υ. Φαξξάο,2004]. q M (2.11) 1 P S V 23

36 Κεφάλαιο 2 Θεωρία διηλεκτρικών Σν δηάλπζκα ηεο πόισζεο ζρεηίδεηαη κόλν κε ηα θνξηία πόισζεο θαη ην δηαλπζκαηηθό ηνπ πεδίν αλαπαξηζηάλεηαη κε γξακκέο πνπ αξρίδνπλ θαη ηειεηώλνπλ ζε επαγόκελα θνξηία. Η πόισζε έρεη κνλάδεο Cb/m 2. Όζνλ αθνξά ηελ ειεθηξηθή κεηαηόπηζε, απηή πξνθύπηεη από ην ζπλδπαζκό ησλ δηαλπζκάησλ έληαζεο ηνπ πεδίνπ θαη ηεο πόισζεο P θαη δίλεηαη από ηε ζρέζε: D E P (2.12) 0 Η ειεθηξηθή κεηαηόπηζε D ζρεηίδεηαη κόλν κε ηα ειεύζεξα θνξηία ζηηο πιάθεο ηνπ ππθλσηή θαη έρεη κνλάδεο Cb/m 2. Σν δηαλπζκαηηθό πεδίν ηνπ D παξηζηάλεηαη κε γξακκέο πνπ αξρίδνπλ θαη ηειεηώλνπλ ζε ειεύζεξα θνξηία. Η ειεθηξηθή κεηαηόπηζε D θαη ε πόισζε q S q 1 1 S 1 P 1 D 0 1 E ζπλάξηεζε ηνπ πεδίνπ Δ. Υξεζηκνπνηώληαο ηηο εθθξάζεηο (ζρέζε 2.4) κπνξνύλ λα εθθξαζηνύλ σο q D θαη S q S 0 q Πξνθύπηεη όηη: D 0 (2.13) S θαη q S q 1 1 S 1 P 1 D 0 1 E (2.14) Η έληαζε ηνπ ειεθηξηθνύ πεδίνπ ζρεηίδεηαη κε όια ηα ππάξρνληα θνξηία, είηε ειεύζεξα, είηε επαγόκελα θαη νη δπλακηθέο γξακκέο ηνπ πεδίνπ αξρίδνπλ, είηε από ειεύζεξα, είηε από επαγόκελα θνξηία θαη θαηαιήγνπλ, είηε ζε ειεύζεξα, είηε ζε επαγόκελα. Οη κνλάδεο ηνπ Δ είλαη Nt/Cb. Η ζρέζε (2.8) δείρλεη όηη ε πόισζε ζην θελό είλαη κεδέλ. Δπίζεο, νη ζρέζεηο (2.7) θαη (2.8) δείρλνπλ όηη γηα ηζόηξνπν πιηθό, ζην νπνίν κπνξεί λα απνδνζεί κία κόλν ηηκή ειεθηξηθήο δηαπεξαηόηεηαο, ηα δηαλύζκαηα D θαη P έρνπλ ίδηα δηεύζπλζε θαη θνξά κε ην δηάλπζκα ηνπ πεδίνπ E [Γ. Υ. Φαξξάο,2004]. 24

37 Κεφάλαιο 2 Θεωρία διηλεκτρικών 2.4 Απόθξηζε ησλ δηειεθηξηθώλ πιηθώλ ζε ελαιιαζζόκελν πεδίν Η ειεθηξηθή ζπκπεξηθνξά ελόο δηειεθηξηθνύ πιηθνύ πνπ βξίζθεηαη κέζα ζε ελαιιαζζόκελν πεδίν εμαξηάηαη από ην πιάηνο θαη ηελ ζπρλόηεηα ηνπ πεδίνπ θαζώο επίζεο θαη από ηε ζεξκνθξαζία θαη ηελ κνξηαθή δνκή ηνπ πιηθνύ. Όηαλ ε έληαζε ηνπ ειεθηξηθνύ πεδίνπ είλαη ρξνληθά κεηαβαιιόκελε ηα κεγέζε ηεο πόισζεο, ηεο πνισζηκόηεηαο θαη ηεο ειεθηξηθήο δηαπεξαηόηεηαο εκθαλίδνπλ εμάξηεζε από ην ρξόλν (ε νπνία κπνξεί λα εθθξαζηεί σο εμάξηεζε από ηε ζπρλόηεηα κεηαβνιήο ηνπ ειεθηξηθνύ πεδίνπ). Η δηεξγαζία ηνπ πξνζαλαηνιηζκνύ ησλ κνξηαθώλ δηπόισλ, ζε ζρέζε κε ηελ πόισζε πνπ πξνθαιείηαη από θαηλόκελα παξακόξθσζεο είλαη ζρεηηθά αξγή. Όηαλ ηα δίπνια ηνπ δηειεθηξηθνύ πιηθνύ έρνπλ αξθεηό ρξόλν, από ηε ζηηγκή ηεο εθαξκνγήο ηνπ πεδίνπ, γηα λα πξνζαλαηνιηζηνύλ ζηε δηεύζπλζε ηνπ, ηόηε επηηπγράλεηαη ε κέγηζηε πόισζε ηνπ πιηθνύ. ε απηή ηελ ηηκή ηεο πόισζεο αληηζηνηρεί θαη ε κέγηζηε ηηκή ηεο δηειεθηξηθήο ζηαζεξάο πνπ θαιείηαη ζηαηηθή δηειεθηξηθή ζηαζεξά ή ζηαηηθή ηηκή ηεο δηαπεξαηόηεηαο. Ακέζσο κεηά ηελ εθαξκνγή ειεθηξηθνύ πεδίνπ ζηα δίπνια δελ δίλεηαη αξθεηόο ρξόλνο γηα λα πξνζαλαηνιηζηνύλ ζηε δηεύζπλζε ηνπ, ηόηε ε ειεθηξηθή δηαπεξαηόηεηα παίξλεη κηα ρακειή ηηκή πνπ αλαθέξεηαη σο θαη νθείιεηαη ζρεδόλ απνθιεηζηηθά ζε θαηλόκελα παξακόξθσζεο (πνισζηκόηεηα παξακόξθσζεο). Η πόισζε πνπ παξάγεηαη ζε ζπλζήθεο ελαιιαζζόκελνπ πεδίνπ ελαιιάζζεη ηελ θαηεύζπλζε ηεο. Όηαλ ε ζπρλόηεηα είλαη αξθεηά πςειή ιόγσ ηεο αδξάλεηαο ησλ δηπόισλ ε πόισζε ζα εκθαλίδεη θαζπζηέξεζε ζηνλ πξνζαλαηνιηζκό ηεο πξνο ηε δηεύζπλζε ηνπ πεδίνπ. Δπνκέλσο ην δηάλπζκα ηεο ειεθηξηθήο κεηαηόπηζεο D ζα εκθαλίδεη κηα γσληαθή δηαθνξά θάζεσο δ ζε ζρέζε κε ην E. Σα δηαλύζκαηα ηεο ειεθηξηθήο κεηαηόπηζεο D θαη ηνπ πεδίνπ E ζηε κηγαδηθή ηνπο κνξθή δίλνληαη από ηηο ζρέζεηο : s θαη i( t ) D D o e (2.15) i( t) E e (2.16) όπνπ D0 θαη E0 ηα πιάηε ησλ δηαλπζκάησλ D θαη E αληίζηνηρα. Με σ ζπκβνιίδνπκε ηελ θπθιηθή ζπρλόηεηα ηνπ πεδίνπ θαη t ην ρξόλν. Σα δύν παξαπάλσ κεγέζε ζρεηίδνληαη κεηαμύ ηνπο, κε ηε ζρέζε: D e * i t i t E e (2.17)

38 Κεφάλαιο 2 Θεωρία διηλεκτρικών Η πνζόηεηα εμήο: * είλαη ε κηγαδηθή ειεθηξηθή δηαπεξαηόηεηα, ε νπνία νξίδεηαη σο * ' i '' (2.18) όπνπ ην πξαγκαηηθό κέξνο ηεο ειεθηξηθήο δηαπεξαηόηεηαο ην νπνίν νλνκάδεηαη θαη ζρεηηθή ειεθηξηθή δηαπεξαηόηεηα, ην εθθξάδεη ηελ ηθαλόηεηα ηνπ δηειεθηξηθνύ λα πνιώλεηαη θαη ζρεηίδεηαη κε ηε ρσξεηηθόηεηα ή κε άιια ιόγηα εθθξάδεη ηελ αύμεζε ηεο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο πνπ απνζεθεύεηαη ζηελ δηάηαμε απηή, ελώ ην είλαη ην θαληαζηηθό κέξνο πνπ νλνκάδεηαη παξάγνληαο απσιεηώλ ή δείθηεο απσιεηώλ ή αιιηώο δηειεθηξηθέο απώιεηεο ηνπ πιηθνύ θαη εθθξάδεη ηελ θαηαλάισζε ελέξγεηαο ζην δηειεθηξηθό. Από ηηο εμηζώζεηο (2.14) θαη (2.15) πξνθύπηεη όηη ην πξαγκαηηθό κέξνο ηεο κηγαδηθήο ειεθηξηθήο δηαπεξαηόηεηαο είλαη: ' D 0 cos (2.19) E 0 0 ελώ ην θαληαζηηθό είλαη: '' 0 E D sin (2.20) 0 0 Από ηηο δύν παξαπάλσ εμηζώζεηο πξνθύπηεη ε ζρέζε: '' tan (2.21) ' ε νπνία νξίδεη ηνλ ζπληειεζηή δηαζπνξάο ή ηελ εθαπηόκελε ησλ απσιεηώλ ηνπ δηειεθηξηθνύ πιηθνύ, tan. Η θπζηθή ζεκαζία ηνπ παξαπάλσ όξνπ κπνξεί λα απνδνζεί σο ν ιόγνο ηεο δαπαλόκελεο ελέξγεηαο πξνο ηελ απνζεθεπόκελε ελέξγεηα αλά θύθιν θόξηηζεο. Η γσλία απσιεηώλ, απνηειεί έλα δείθηε γηα ηελ επηινγή ελόο δηειεθηξηθνύ πιηθνύ. Όζν κηθξόηεξε είλαη ε ηηκή ηεο γσλίαο απσιεηώλ ηόζν ην πιηθό έρεη θαιύηεξε δηειεθηξηθή ζπκπεξηθνξά [Φαξξάο, 2004]. Δμεηάδνπκε ηελ πεξίπησζε όπνπ ην ειεθηξηθό πεδίν εκθαλίδεη εκηηνλνεηδή εμάξηεζε από ην ρξόλν, νπόηε ε πξνθαινύκελε πόισζε ζα ελαιιάζζεη ηελ θαηεύζπλζε ηεο αλάινγα κε ηε θνξά ηνπ πεδίνπ. Όπσο αλαθέξακε παξαπάλσ παξαηεξείηαη κηα δηαθνξά θάζεο κεηαμύ ηεο έληαζεο θαη ηεο ειεθηξηθήο κεηαηόπηζεο. Η εμάξηεζε ησλ δηαλπζκάησλ ηεο ειεθηξηθήο 26

39 Κεφάλαιο 2 Θεωρία διηλεκτρικών κεηαηόπηζεο D θαη ηνπ ειεθηξηθνύ πεδίνπ E από ην ρξόλν, ζε έλα δηειεθηξηθό κέζν, πεξηγξάθεηαη από ηελ παξαθάησ δηαθνξηθή εμίζσζε: dd t d t Dt 0 0 s t dt dt (2.22) Όπνπ είλαη ν ρξόλνο ραιάξσζεο δηειεθηξηθνύ πιηθνύ ππό ηελ επίδξαζε ειεθηξηθνύ πεδίνπ s θαη νη ηηκέο ηεο ειεθηξηθήο δηαπεξαηόηεηαο όηαλ t 0 θαη t αληίζηνηρα. Χο ρξόλνο ραιάξσζεο ( ) νξίδεηαη ν ρξόλνο πνπ απαηηείηαη γηα λα θηάζεη ην πιηθό ζε θαηάζηαζε ηζνξξνπίαο. ηελ πεξίπησζε πόισζεο δηειεθηξηθνύ πιηθνύ ν ρξόλνο ραιάξσζεο (relaxation time) κπνξεί λα ζεσξεζεί σο ην κέηξν ηεο έληαζεο ηεο αιιειεπίδξαζεο κεηαμύ δηπόισλ θαη ζπζηήκαηνο [Φαξξάο, 2004]. Θεσξνύκε όηη ην ελαιιαζζόκελν ειεθηξηθό πεδίν είλαη ηεο κνξθήο ( ) e i Et t, ην δηάλπζκα ηεο ειεθηξηθήο κεηαηόπηζεο ζα είλαη ηεο κνξθήο 0 i t. Αληηθαζηζηώληαο ηηο εθθξάζεηο ησλ D() t D e 0 εμίζσζε (2.19) πξνθύπηεη: E t θαη Dt ζηελ D t s 0E t 1 it it (2.23) Υξεζηκνπνηώληαο ηώξα ηελ εμίζσζε: 0 * Dt E t (2.24) αλαδηαηάζζνληαο ηνπο όξνπο Debye: θαηαιήγνπκε ζηελ εμίζσζε δηαζπνξάο ηνπ * s (2.25) 1 i Από ηελ ηειεπηαία εμίζσζε πξνθύπηεη ην πξαγκαηηθό θαη ην θαληαζηηθό κέξνο ηεο κηγαδηθήο ειεθηξηθήο δηαπεξαηόηεηαο: ' s (2.26) θαη '' s (2.27)

40 Κεφάλαιο 2 Θεωρία διηλεκτρικών Οη γξαθηθέο παξαζηάζεηο ησλ ζρήκα πνπ αθνινπζεί: ' θαη '' ζπλαξηήζεη ηνπ log δίλνληαη ζην ρήκα 2.5: Οη θακπύιεο ησλ ' θαη '' Από ηελ γξαθηθή παξάζηαζε f '' ζπλαξηήζεη ηνπ log [Φαξξάο, 2004]. παξαηεξνύκε όηη ην κέγηζην ησλ δηειεθηξηθώλ απσιεηώλ εκθαλίδεηαη ζηελ ζπρλόηεηα 0 1/ θαη είλαη ίζν κε : '' 0 s (2.28) 2 ελώ ζηελ ίδηα ζπρλόηεηα ην ' είλαη: ' s (2.29) 0 2 Η ζεσξία Debye πεξηγξάθεη κηα δηεξγαζία ραιάξσζεο πνπ ραξαθηεξίδεηαη από έλαλ κόλν ρξόλν ραιάξσζεο θαη ηζρύεη γηα αέξηα θαη γηα πνιύ αξαηά πνιηθά πγξά. Όκσο ζηελ ζηεξεά θαηάζηαζε, ιόγσ αιιειεπηδξάζεσλ κεηαμύ ησλ αηόκσλ θαη ησλ κνξίσλ εκθαλίδνληαη πεξηζζόηεξνη ηνπ ελόο ρξόλνη ραιάξσζεο θαη ε ζεσξία Debye ζπκπιεξώλεηαη από ηηο ζεσξήζεηο Cole - Cole, Cole - Davidson, Havriliak Negami πνπ πξνϋπνζέηνπλ ζπκκεηξηθή, κε ζπκκεηξηθή θαη ππέξζεζε ζπκκεηξηθήο θαη κε ζπκκεηξηθήο θαηαλνκήο ησλ ρξόλσλ ραιάξσζεο [Runt,1997]. Η έθθξαζε ηεο κηγαδηθήο ειεθηξηθήο δηαπεξαηόηεηαο γηα θάζε κηα ζεώξεζε πνπ αλαθέξζεθε πξνεγνπκέλσο, θαζώο θαη ηεο ζεσξίαο Debye δίλνληαη ζηηο ζρέζεηο πνπ αθνινπζνύλ: 28

41 Κεφάλαιο 2 Θεωρία διηλεκτρικών * 1 i s (Debye) (2.30) * 1 s (Cole - Cole) (2.31) 1 1 i s 1 i * 1 (Cole - Davidson) (2.32) * s 1 1 a ( Havriliak Negami) (2.33) 1 i όπνπ,,, ζηαζεξέο [Hedving,1977]. ην ζρήκα 2.6 πνπ αθνινπζεί παξνπζηάδεηαη ε κεηαβνιή ηεο δηειεθηξηθήο ζηαζεξάο κε ηελ ζπρλόηεηα ηνπ ελαιιαζζόκελνπ πεδίνπ. ρήκα 2.6: ρεκαηηθή απεηθόληζε ηεο κεηαβνιήο ηεο ειεθηξηθήο δηαπεξαηόηεηαο κε ηελ ζπρλόηεηα ελαιιαζζόκελνπ ειεθηξηθνύ πεδίνπ. Δπηπιένλ επηδεηθλύνληαη νη ζπλεηζθνξέοηεο ειεθηξνληθήο πόισζεο, ηεο ηνληηθήο πόισζεο θαη ηεο πόισζεο πξνζαλαηνιηζκνύ [W.D. Callister,2004]. 29

42 Κεφάλαιο 2 Θεωρία διηλεκτρικών Όηαλ ε ζπρλόηεηα ηνπ πεδίνπ είλαη κηθξή, όινη νη ηύπνη πόισζεο πξνιαβαίλνπλ λα απνθηήζνπλ ηελ ηηκή πνπ ζα είραλ αλ ην πεδίν ήηαλ ζπλερέο. Καζώο όκσο ε ζπρλόηεηα ηνπ πεδίνπ απμάλεηαη, ε πόισζε δελ πξνιαβαίλεη λα απνθηήζεη ηελ ζηαζεξή ηηκή. Πην ζπγθεθξηκέλα ε πόισζε πξνζαλαηνιηζκνύ δελ κπνξεί λα θηάζεη ηελ ηηκή ηζνξξνπίαο θαη ζπλεηζθέξεη όιν θαη ιηγόηεξν ζηελ πόισζε, θαζώο ε ζπρλόηεηα απμάλεηαη. Παξαηεξείηαη δειαδή πηώζε ηεο πνισζηκόηεηαο από ηελ ηηκή α=αe+αα+απξ ζηελ ηηκή α=αe+αα. Απηή ε πηώζε ηεο πνισζηκόηεηαο καδί κε ηελ κεηαβνιή ηεο πόισζεο θαη ηεο ειεθηξηθήο δηαπεξαηόηεηαο ζπληζηά κηα έθθξαζε ηεο δηειεθηξηθήο ραιάξσζεο. Η ηνληηθή πνισζηκόηεηα, σζηόζν, παξακέλεη ζηαζεξή γηα ζπρλόηεηεο εθαξκνδόκελνπ πεδίνπ έσο ηα 13 Hz θαη δελ παξαηεξείηαη θακία θαζπζηέξεζε ζηελ εκθάληζή ηεο. Πάλσ όκσο από απηήλ ηελ ζπρλόηεηα αξρίδεη ε εκθάληζε θαζπζηεξήζεσλ θαζώο ηα ηνληηθά δίπνια παξνπζηάδνπλ όιν θαη κεγαιύηεξε αδξάλεηα ζηελ θίλεζή ηνπο. Σέινο, ε ειεθηξνληθή πνισζηκόηεηα παξακέλεη ζηαζεξή γηα ζπρλόηεηεο από ην νξαηό έσο ην ππεξηώδεο θάζκα θαη δελ παξαηεξείηαη θακία θαζπζηέξεζε ζηελ εκθάληζε ηεο ζε ζπρλόηεηεο κέρξη ηα 17 Hz. 2.5 Ηιεθηξηθή εηδηθή αγσγηκόηεηα Χο ειεθηξηθή εηδηθή αγσγηκόηεηα νξίδνπκε ηελ επθνιία κε ηελ νπνία ειεθηξηθά θνξηία - ειεθηξόληα, νπέο ή ηόληα- θηλνύληαη ζε έλα πιηθό. Τςειέο ηηκέο εηδηθήο αγσγηκόηεηαο παξνπζηάδνπλ πιηθά όπσο ηα κέηαιια θαη ρακειέο ηα δηειεθηξηθά πιηθά ελώ ζηε κέζε ηεο θιίκαθαο βξίζθνληαη ηα εκηαγώγηκα πιηθά. Η εηδηθή αγσγηκόηεηα ελόο πιηθνύ εμαξηάηαη από ηελ ελεξγεηαθή απόζηαζε ηεο δώλεο ζζέλνπο από ηε δώλε αγσγηκόηεηαο απηνύ, έηζη ζηα κέηαιια παξαηεξνύκε πσο νη δώλεο εθάπηνληαη ή παξνπζηάδνπλ κηθξό πνζνζηό αιιεινεπηθάιπςεο, ελώ ζηνπο κνλσηέο (δηειεθηξηθά) ε απόζηαζε είλαη κεγάιε. Γηα παξάδεηγκα ελώ ζε έλα κέηαιιν ν αξηζκόο ησλ ειεθηξνλίσλ πνπ βξίζθεηαη ζηε δώλε αγσγηκόηεηαο είλαη κεγάινο ( 23 /cm 3 ) ζε έλα κνλσηή ηα ειεθηξόληα πξέπεη λα ππεξπεδήζνπλ έλα ελεξγεηαθό θξάγκα ηηκήο κεγαιύηεξεο ησλ 4 ev γηα λα θηάζνπλ ζε απηή. Δλδηαθέξνλ παξνπζηάδεη ε πεξίπησζε κίγκαηνο αγώγηκσλ θαη δηειεθηξηθώλ πιηθώλ, εδώ ππάξρεη κηα θξίζηκε ηηκή ηεο αλαινγίαο ησλ δύν ζπζηαηηθώλ γηα ηελ νπνία ην κίγκα μεθεύγεη από ηελ κνλσηηθή ζπκπεξηθνξά θαη επηηξέπεη ηελ αγσγή ξεύκαηνο. Η κεηάβαζε από ηε κνλσηηθή ζηελ αγώγηκε θάζε θαζνξίδεηαη από κηα θξίζηκε ηηκή ηεο ζπγθέληξσζεο ηεο αγώγηκήο θάζεο, ε ηηκή απηή νλνκάδεηαη θαηώθιη αγσγηκόηεηαο (θc), θαη εμαξηάηαη από ηνλ 30

43 Κεφάλαιο 2 Θεωρία διηλεκτρικών ηξόπν δηαζπνξάο ηεο κίαο θάζεο ζηελ άιιε, αιιά θαη από ηα γεσκεηξηθά ραξαθηεξηζηηθά ηεο θάζεο δηαζπνξάο. Δδώ ε αγσγή ηνπ ξεύκαηνο εμαξηάηαη από ηέζζεξεηο δηαθνξεηηθνύο παξάγνληεο: 1. Αγσγηκόηεηα ηνπ πιηθνύ ηεο κνλσηηθήο κήηξαο 2. Αγσγηκόηεηα ηνπ πιεξσηηθνύ κέζνπ 3. Αγσγή ηνπ ξεύκαηνο κεηαμύ γεηηνληθώλ εγθιεηζκάησλ 4. Αγσγηκόηεηα ηεο δηεπηθάλεηαο κήηξαο-εγθιεηζκάησλ Οη κεραληζκνί πνπ ζεσξνύληαη ππεύζπλνη γηα ηελ εκθάληζε αγώγηκεο ζπκπεξηθνξάο ζε δηθαζηθά ζπζηήκαηα ηνπ ηύπνπ κνλσηηθήο κήηξαο αγώγηκνπ εγθιέηζκαηνο είλαη: 1. Μεραληζκόο σκηθήο αγσγηκόηεηαο: Η εκθαληδόκελε αγσγηκόηεηα νθείιεηαη ζην ζρεκαηηζκό αγώγηκνπ «δξόκνπ» εληόο ηνπ ζύλζεηνπ ζπζηήκαηνο, ε πεξηγξαθή ηνπ θαηλνκέλνπ γίλεηαη από ηελ θιαζζηθή ζεσξία δηάδνζεο. 2. Μεραληζκόο δηάρπζεο θνξηίσλ : Δκθάληζε θαηλνκέλσλ αγσγηκόηεηαο κέζσ ηνπ ζπγθεθξηκέλνπ κεραληζκνύ παξαηεξνύληαη κόλν γηα ρακειέο ηηκέο ηεο ζπγθέληξσζεο ησλ αγώγηκσλ εγθιεηζκάησλ, εδώ ε αγσγή ηνπ ξεύκαηνο νθείιεηαη ζε θαηλόκελα δηάρπζεο πνπ παξαηεξνύληαη κεηαμύ κήηξαο θαη πιεξσηηθνύ κέζνπ. 3. Φαηλόκελν ζήξαγγνο (tunneling) : Όηαλ ε απόζηαζε κεηαμύ γεηηνληθώλ εγθιεηζκάησλ είλαη κηθξή δίρσο όκσο απηά λα έξρνληαη ζε επαθή (πεξίπνπ nm) ηόηε κε ηελ εθαξκνγή ειεθηξηθνύ πεδίνπ παξαηεξείηαη ε εκθάληζε ελόο ξεύκαηνο ζήξαγγνο ην νπνίν θαη εμαξηάηαη από ηελ έληαζε ηνπ πεδίνπ. t B tunneling AE exp E (2.34) Όπνπ Β είλαη ην κέηξν ηνπ θξάγκαηνο δπλακηθνύ πνπ πξέπεη λα ππεξπεδήζνπλ νη θνξείο θνξηίνπ γηα λα κεηαβνύλ από ηε κία θάζε ζηελ άιιε, Δ ε έληαζε ηνπ ειεθηξηθνύ πεδίνπ, Α ζηαζεξά θαη t ζηαζεξά πνπ εμαξηάηαη από ην κέγεζνο ηνπ αγώγηκνπ «κνλνπαηηνύ». Σέινο, ν όξνο exp(-β/δ) αληηζηνηρεί ζηελ πηζαλόηεηα κεηάβαζεο θνξέσλ θνξηίνπ από ηελ κήηξα πξνο ηα αγώγηκα εγθιείζκαηα θαη αληηζηξόθσο. 31

44 Κεφάλαιο 2 Θεωρία διηλεκτρικών 4. Μεραληζκόο ηπραίσλ αικάησλ (hopping): Η αγσγηκόηεηα ζε απηή ηελ πεξίπησζε νθείιεηαη ζε κηα ζεξκηθά δηεγεηξόκελε δηαδηθαζία θαηά ηελ νπνία παξαηεξείηαη μαθληθή κεηαηόπηζε θνξέσλ θνξηίνπ κεηαμύ γεηηνληθώλ ζέζεσλ. Σν ξεύκα πνπ νθείιεηαη ζε απηό ην κεραληζκό εμαξηάηαη από ηελ ζεξκνθξαζία Σ, ην έξγν εμαγσγήο ηνπ εληζρπηηθνύ κέζνπ Φ, θαη ην ειεθηξηθό πεδίν Δ ελώ πξνζδηνξίδεηαη κέζσ ηεο ζρέζεο: I hopping G E 2 A' T exp kt B (2.35) Οη όξνη Α, G είλαη ζηαζεξά κεγέζε θαη kb είλαη ε ζηαζεξά ηνπ ΒνΙtzmann [Γαιηώηεο, 2004], [Μαλσιαθάθε, 2001]. 32

45 Κεθάλαιο 3 Ενεργά διηλεκηρικά & Ευθυη ζυζηημαηα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΕΝΕΡΓΑ ΔΙΗΛΕΚΣΡΙΚΑ & ΕΤΦΤΗ ΤΣΗΜΑΣΑ 3.1 Ελεξγά Δηειεθηξηθά Hκηαγσγνί θαη κνλσηέο πνπ έρνπλ ηελ δπλαηφηεηα λα πνιψλνληαη απνπζία εμσηεξηθνχ ειεθηξηθνχ πεδίνπ αλαθέξνληαη σο ελεξγά δηειεθηξηθά. Σα ελεξγά δηειεθηξηθά πιηθά κπνξνχλ λα είλαη αλφξγαλα ή νξγαληθά. ηα αλφξγαλα αλήθνπλ πνιπθξπζηαιιηθά θεξακηθά πιηθά θαη κνλνθξχζηαιινη. ηα νξγαληθά θπξηαξρεί ην πνιπκεξέο PVDF (Polyvinylidene fluoride). Σα ζχλζεηα θαη λαλνζχλζεηα ελεξγά δηειεθηξηθά πνπ απνηεινχληαη απφ πνιπκεξηθή κήηξα θαη θεξακηθά εγθιείζκαηα παξνπζηάδνπλ έληνλν ελδηαθέξνλ, ιφγσ ηεο δηαξθνχο αλάπηπμεο ηεο κηθξν- θαη λαλνηερλνινγίαο. Σα πιηθά απηά βξίζθνπλ εθαξκνγή ζε αηζζεηήξεο θαη ελεξγνπνηεηέο θαζψο θαη ζε δηαηάμεηο κλήκεο [Πίζζεο, 2003]. ηα ελεξγά δηειεθηξηθά θαηαηάζζνληαη ηα ζηδεξνειεθηξηθά, ηα πηεδνειεθηξηθά θαη ηα ππξνειεθηξηθά πιηθά. Σν θαηλφκελν ζην νπνίν παξαηεξείηαη εκθάληζε ειεθηξηθψλ θνξηίσλ ζηηο επηθάλεηεο ελφο κνλνθξπζηάιινπ, πνπ ππφθεηληαη ζε κεραληθή παξακφξθσζε θαη ην αληίζηξνθν ηνπ, δειαδή ε αλάπηπμε κεραληθήο παξακφξθσζεο ιφγσ εθαξκνγήο ειεθηξηθνχ πεδίνπ, θαιείηαη πηεδνειεθηξηθφ θαηλφκελν. Αλάκεζα ζην πηεδνειεθηξηθφ θαηλφκελν θαη ην αληίζηξνθν ηνπ ππάξρεη κία αληηζηνηρία 1 πξνο 1 (ρήκα 3.1). Η θχζε ηνπ εκπιεθφκελνπ κνξηαθνχ κεραληζκνχ ζεσξείηαη απιή, ε εθαξκνγή κεραληθήο ηάζεσο πξνθαιεί δηαρσξηζκφ ηνπ «θέληξνπ βάξνπο» ησλ ζεηηθψλ θαη αξλεηηθψλ θνξηίσλ, δεκηνπξγψληαο δηπνιηθή ξνπή. ηελ πξαγκαηηθφηεηα ε εκθάληζε ηνπ θαηλνκέλνπ εμαξηάηαη απφ ηελ ζπκκεηξία ησλ θαηαλνκψλ ησλ ζεηηθψλ θαη αξλεηηθψλ ηφλησλ. Με απηήλ ηελ έλλνηα ην θαηλφκελν εκθαλίδεηαη κφλν ζηνπο θξπζηάιινπο πνπ δελ εκθαλίδνπλ θέληξν ζπκκεηξίαο. ηνπο θξπζηάιινπο κε θέληξν ζπκκεηξίαο δελ κπνξεί λα εκθαληζζεί ην θαηλφκελν ηνπ πηεδνειεθηξηζκνχ. Σα ζηδεξνειεθηξηθά πιηθά είλαη εηδηθή θαηεγνξία ησλ δηειεθηξηθψλ θαη έρνπλ ηελ ηθαλφηεηα λα πνιψλνληαη απνπζία εμσηεξηθνχ ειεθηξηθνχ πεδίνπ θαη κεραληθήο ηάζεσο. Σν φλνκα ηνπο νθείιεηαη ζηηο νκνηφηεηεο πνπ παξνπζηάδεη ε θακπχιε πφισζεο ηνπο κε ην ειεθηξηθφ πεδίν κε ηελ αληίζηνηρε ηεο καγλήηηζεο κε ην καγλεηηθφ πεδίν ζηα ζηδεξνκαγλεηηθά πιηθά, αλ θαη απηά δελ πεξηέρνπλ θαζφινπ ζίδεξν [Ψαξξάο, 2004]. 33

46 Κεθάλαιο 3 Ενεργά διηλεκηρικά & Ευθυη ζυζηημαηα ρήκα 3.1: Πηεδνθξπζηαιιηθφ θαηλφκελν (α) Απνπζία εμσηεξηθήο κεραληθήο ηάζεο. (β) Παξνπζία κεραληθήο ηάζεο. 3.2 Πίεδνειεθηξηθά Τιηθά απηήλ ηελ ελφηεηα ζα γίλεη εηζαγσγή ζηνλ θφζκν ηεο πηεδνειεθηξηθήο επίδξαζεο πνπ δηακνξθψλεη ηελ ππνθείκελε βάζε γηα ηα πξντφληα πνπ πνηθίινπλ αλάκεζα ζε κηθξφθσλα θαη ερεία, ρηνλνπέδηια κεησκέλεο δφλεζεο, θνπκπηά θνπδνπληψλ, θαη ζε έλαλ αηέιεησην αξηζκφ απφ αηζζεηήξεο θαη κηθξνχο ελεξγνπνηεηέο. Όιεο απηέο νη ζπζθεπέο πεξηιακβάλνπλ ηε ρξήζε πηεδνειεθηξηθνχ πιηθνχ ζην νπνίν κηα εθαξκνδφκελε κεραληθή δχλακε παξάγεη κηα παξακφξθσζε πνπ κε ηε ζεηξά ηεο παξάγεη ειεθηξηθή ηάζε ή πεδίν, ή αληίζηξνθα, έλα εθαξκνδφκελν πεδίν πνπ πξνθαιεί κηα κεραληθή παξακφξθσζε ζην πιηθφ πνπ κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί γηα λα πξνθαιέζεη κηα δχλακε. Απηφ ην γεληθφ θαηλφκελν νλνκάδεηαη πηεδνειεθηξηθή επίδξαζε. Σν πηεδνειεθηξηθφ θαηλφκελν παξαηεξήζεθε απφ ηνπο αδειθνχο Pierre θαη Jacques Curie ην 1880 φηαλ ήηαλ ζε ειηθία 21 θαη 24 εηψλ αληίζηνηρα. Παξαηήξεζαλ φηη φηαλ εθαξκφδεηαη πίεζε ζε έλα πνισκέλν θξχζηαιιν, ε κεραληθή παξακφξθσζε πνπ επηθέξεηαη, είρε ζαλ απνηέιεζκα ηελ ειεθηξηθή θφξηηζε. Σν θαηλφκελν βαζίδεηαη ζε κηα αλαζηξέςηκε ελεξγεηαθή κεηαηξνπή απφ ειεθηξηθή ζε κεραληθή θαη ην αληίζηξνθν. ηα πηεδνειεθηξηθά πιηθά, θάζε κφξην είλαη έλα δίπνιν κε ζεηηθά θαη αξλεηηθά θνξηία ζε θάζε άθξε. Η επζπγξάκκηζε ησλ δίπνισλ κπνξεί λα θαηαιήμεη ζε κηα θνξηηζκέλε επηθάλεηα, φκσο ην θνξηίν ηεο επηθάλεηαο νπδεηεξνπνηείηαη απφ ηα ειεχζεξα θνξηία ηεο αηκφζθαηξαο πνπ ηελ πεξηβάιιεη. Εθαξκφδνληαο κηα δχλακε ζην πηεδνειεθηξηθφ πιηθφ πνπ πξνθαινχληαη 34

47 Κεθάλαιο 3 Ενεργά διηλεκηρικά & Ευθυη ζυζηημαηα παξακνξθψζεηο, πνπ κε ηε ζεηξά ηνπο κεηαβάιινπλ ηελ νπδεηεξνπνηεκέλε θαηάζηαζε ηεο επηθάλεηαο κε ηελ αιιαγή ηνπ πξνζαλαηνιηζκνχ ησλ δίπνισλ. Αληίζηξνθα ε εθαξκνγή ηεο ειεθηξηθήο ηάζεο πξνθαιεί ηελ επζπγξάκκηζε ησλ πνισκέλσλ κνξίσλ κε ην ειεθηξηθφ πεδίν, πνπ κε ηε ζεηξά ηνπ πξνθαιεί ηελ αλάπηπμε ηεο κεραληθήο παξακφξθσζεο [ηαπξίδνπ, 2009]. Σν πηεδνειεθηξηθφ θαηλφκελν έρεη, εδψ θαη πνιχ θαηξφ αμηνπνηεζεί ζε πνιιέο δηαθνξεηηθέο ζπζθεπέο. Η ηδηφηεηα λα παξάγεη ειεθηξηθή ηάζε κε ηελ εθαξκνγή πίεζεο ρξεζηκνπνηείηαη κε πνιινχο δηαθνξεηηθνχο ηξφπνπο. ηα θνπδνχληα ηεο πφξηαο, κηα εθαξκνδφκελε δχλακε παξάγεη ηάζε, πνπ κε ηε ζεηξά ηεο ρξεζηκνπνηείηαη γηα λα ειέγμεη έλα ειεθηξηθφ θχθισκα πξνθαιψληαο θνπδνχληζκα. ηνλ ιακπηήξα άλζξαθα, ε εθαξκνγή κηαο δχλακεο ζε κηα πηεδνειεθηξηθή ζπζθεπή πξνθαιεί κηα αλάθιεμε ζπηλζήξα. Είλαη ιηγφηεξν πξνθαλέο ζε πνιινχο αλζξψπνπο, φκσο ρξεζηκνπνηνχληαη επξέσο, κηα πιεηάδα πηεδνειεθηξηθψλ ζπζθεπψλ κε ρξήζε κηθξψλ ελεξγνπνηεηψλ πνπ ειέγρνληαη κε ειεθηξηζκφ θαη ρξεζηκνπνηνχληαη ζε έλαλ κεγάιν αξηζκφ κεραληθψλ θαη βηνκεραληθψλ πεξηπηψζεσλ φπνπ κηα κηθξή ηάζε πξνθαιεί θαη θίλεζε ελφο κέξνπο ην νπνίν ειέγρεη θάηη άιιν, φπσο ε βαιβίδα. Η πηεδνειεθηξηθή απφθξηζε ησλ πιηθψλ είλαη θπξηνιεθηηθά ζηηγκηαία θαη νη πηεδνειεθηξηθέο ζπζθεπέο κπνξνχλ λα είλαη ηδηαίηεξα επαίζζεηεο ζε κηθξέο πηέζεηο ή ηάζεηο. Πνιιά κηθξφθσλα πνπ βαζίδνληαη ζε πηεδνειεθηξηθά πιηθά κεηαηξέπνπλ κηα αθνπζηηθή πίεζε ζε ηάζε. Ελαιιαθηηθά, ζηα πηεδνειεθηξηθά ερεία, ε εθαξκνγή κεηαβαιιφκελνπ ειεθηξηθνχ πεδίνπ πξνθαιεί ηε κεραληθή παξακφξθσζε, πνπ κε ηε ζεηξά ηεο δεκηνπξγεί αθνπζηηθή πίεζε. [ηαπξίδνπ, 2009], [Michelle Addington,2005]. Εμηζψζεηο πηεδνειεθηξηζκνχ ε έλαλ πηεδνειεθηξηθφ θξχζηαιιν ε πφισζε P ζρεηίδεηαη κε ηελ κεραληθή ηάζε T, ή αληίζηξνθα ην ειεθηξηθφ πεδίν E ζρεηίδεηαη κε ηελ κεραληθή παξακφξθσζε S. Ο πηεδνειεθηξηθφο ζπληειεζηήο νξίδεηαη σο ε παξάκεηξνο πνπ ζπλδέεη ηελ πφισζε κε ηελ ηάζε θαη ηελ παξακφξθσζε κε ην ειεθηξηθφ πεδίν σο εμήο [Ψαξξάο, 2004], [Damjanovic, 1998]: P S d (3.1) T E E T φπνπ ν δείθηεο Ε ππνδειψλεη πσο ην πεδίν δηαηεξείηαη ζηαζεξφ θαη ν δείθηεο Σ φηη ε κεραληθή ηάζε δηαηεξείηαη ζηαζεξή. 35

48 Κεθάλαιο 3 Ενεργά διηλεκηρικά & Ευθυη ζυζηημαηα Ο πηεδνειεθηξηθφο ζπληειεζηήο εθθξάδεη ηνλ ξπζκφ κεηαβνιήο ηεο πφισζεο κε ηελ ηάζε, θαζψο ην ειεθηξηθφ πεδίν παξακέλεη ζηαζεξφ, ή ηνλ ξπζκφ κεηαβνιήο ηεο παξακφξθσζεο κε ην πεδίν, φηαλ ε ηάζε παξακέλεη ζηαζεξή. Η πφισζε θαη ε παξακφξθσζε πνπ ζρεηίδνληαη κε ην πηεδνειεθηξηθφ θαηλφκελν κπνξνχλ λα εθθξαζηνχλ: { P} [ d ]{ T} (3.2) i j { S } [ ]{ } (3.3) d i j φπνπ νη πνζφηεηεο ζηα άγθηζηξα είλαη δηαλχζκαηα θαη νη πνζφηεηεο ζηηο αγθχιεο πίλαθεο. Η πφισζε ελφο πηεδνειεθηξηθνχ πιηθνχ πεξηιακβάλεη δχν ζπληζηψζεο. Σελ πφισζε πνπ θπζηνινγηθά ζα πξνέθππηε κε ηελ εθαξκνγή ειεθηξηθνχ πεδίνπ ζε έλαλ κνλσηή θαη ηελ πφισζε πνπ ζα εκθαληζηεί ζηελ πεξίπησζε εθαξκνγήο κεραληθήο ηάζεο. Με απηήλ ηελ έλλνηα θαη ζπλδπάδνληαο ηηο εμηζψζεηο (3.2) θαη { P } [( 1) 0 ]{ } (3.4) ij πξνθχπηεη: { P} [( 1) 0]{ E} [ d ]{ T} (3.5) ij i j Η ειεθηξηθή κεηαηφπηζε ζπλαξηήζεη ηνπ πεδίνπ θαη ηεο πφισζεο ζε ζπλδπαζκφ κε ηελ νδεγεί ζηελ παξαθάησ έθθξαζε: { D} [ 0 ij ]{ E} [ d ]{ T} (3.6) i j ε ηειεπηαία κέζσ ηεο εμίζσζεο (3.7) πνπ απνηειεί έθθξαζε ηνπ λφκνπ ηνπ Hooke γξάθεηαη: { T} [ c ]{ S} (3.7) ij { D} [ 0 ij ]{ E} [ d ][ c ]{ S} (3.8) i j ij 36

49 Κεθάλαιο 3 Ενεργά διηλεκηρικά & Ευθυη ζυζηημαηα ή { D} [ 0 ]{ E} [ d ]{ S} (3.9) ij ij Αληίζηνηρα θαη ε παξακφξθσζε ελφο πηεδνειεθηξηθνχ πιηθνχ έρεη δχν ζπληζηψζεο, ηελ παξακφξθσζε πνπ πξνθαιεί ε εθαξκνδφκελε κεραληθή ηάζε θαη ηελ παξακφξθσζε πνπ νθείιεηαη ζηελ εθαξκνγή ειεθηξηθνχ πεδίνπ. Όπνηε πξνθχπηεη : { S} [ d ]{ E} [ s ]{ T} (3.) ij ij 1 1 { T} [ s ] { S} [ s ] [ d ] { E} (3.11) ij ij ij 1 [ Sij ] [ cij ] (3.11) { T} [ c ]{ S} [ d ]{ E} (3.12) ij ij Οη εμηζψζεηο (3.9) θαη (3.12) απνηεινχλ ηηο πην γλσζηέο εθθξάζεηο πεξηγξαθήο ηνπ πηεδνειεθηξηθνχ θαηλνκέλνπ. ηηο πξαθηηθέο εθαξκνγέο, ε πην ζεκαληηθή ηδηφηεηα ησλ πηεδνειεθηξηθψλ πιηθψλ είλαη ε δπλαηφηεηα ηνπο λα κεηαηξέπνπλ ειεθηξηθή ελέξγεηα ζε κεραληθή θαη ην αληίζηξνθν. Η ηθαλφηεηα απηή εθθξάδεηαη µε ηνλ ζπληειεζηή ζχδεπμεο k 2 ν νπνίνο νξίδεηαη σο εμήο: 2 Ηλεκτρική ενέργεια που μετατρέπεται σε μηχανική k (3.13) Προσυερόμενη ηλεκτρική ενέργεια ή 2 Μηχανική ενέργεια που μετατρέπεται σε ηλεκτρική k (3.14) Προσυερόμενη μηχανική ενέργεια Οη πηεδνειεθηξηθνί θξχζηαιινη ρξεζηκνπνηνχληαη γηα ηνλ έιεγρν ηεο ζπρλφηεηαο ειεθηξνληθψλ ηαιαλησηψλ. Εάλ έλαο θξχζηαιινο θνπεί ζε κνξθή ιεπηήο επίπεδεο πιάθαο, ζα παξνπζηάδεη κία νμεία ζπρλφηεηα κεραληθνχ ζπληνληζκνχ, πνπ ζα πξνζδηνξίδεηαη απφ ηηο δηαζηάζεηο ηεο πιάθαο. ε έλα θαηάιιειν θχθισκα ν ζπληνληζκφο κπνξεί λα επηηεπρζεί κε ηελ εθαξκνγή ελαιιαζζφκελεο ηάζεο, κε απηφλ ηνλ ηξφπν ειέγρεηαη ε ζπρλφηεηα ηεο ηάζεο δεκηνπξγψληαο έλαλ πνιχ ζηαζεξφ ειεθηξνληθφ ηαιαλησηή, πνπ ιεηηνπξγεί ζε δεδνκέλε ζπρλφηεηα [Ψαξξάο, 2004]. 37

50 Κεθάλαιο 3 Ενεργά διηλεκηρικά & Ευθυη ζυζηημαηα 3.3 Εηζαγσγή ζηα Επθπή Τιηθά Οη φξνη «έμππλν», «ιεηηνπξγηθφ», πνιχ-ιεηηνπξγηθφ» θαη «επθπέο» ρξεζηκνπνηνχληαη ζπρλά θαη ελαιιαγή. Απηφ έρεη ινγηθή, αθφκα θη αλ πξνθαιεί ζχγρπζε, γηα ηνπο ηξεηο πξψηνπο φξνπο φκσο ν ηειεπηαίνο ζρεδφλ κε βεβαηφηεηα ππνλνεί έλα βαζκφ επαηζζεζίαο πνπ δελ ππάξρεη, σο ηψξα, ζε θαλέλα κε-βηνινγηθφ ζχζηεκα. Αλ θαη έμππλν πιηθφ δελ έρεη αθφκα αλαπηπρζεί ππάξρνπλ ζπζηήκαηα πιηθψλ θαη δνκέο πνπ επηδεηθλχνπλ έμππλε ζπκπεξηθνξά 3.4 Επθπή Τιηθά Tα «Επθπή Τιηθά» νξίδνληαη σο ηα ζπζηήκαηα πιηθψλ πνπ έρνπλ ηελ δπλαηφηεηα ηεο αίζζεζεο ηνπ πεξηβάιινληνο ρψξνπ θαη ηηο επηδξάζεηο απηνχ, θαη λα αληηδξά ζ απηφλ κέζσ ελφο κεραληζκνχ ειέγρνπ. Σα ραξαθηεξηζηηθά πνπ κπνξεί λα κεηαβάιινληαη κε ην εμσηεξηθφ εξέζηζκα κπνξεί λα είλαη ην ζρήκα, ε ηδηνζπρλφηεηα, ν ζπληειεζηήο απφζβεζεο δνλήζεσλ θηι. Η αλάπηπμε επθπψλ ζπζηεκάησλ αθνινπζεί βηνινγηθά πξφηππα θαη βαζίδεηαη ζε ηδέεο θαη αληηιήςεηο ηεο βηνκηκεηηθήο. ηα επθπή ζπζηήκαηα δελ παίδνπλ ηνλ πξσηεχνληα ξφιν νη ηηκέο ησλ δηαθφξσλ ηδηνηήησλ, αιιά νη ελέξγεηεο θαη νη ιεηηνπξγίεο πνπ απηά κπνξνχλ λα επηηειέζνπλ. Σα επθπή ζπζηήκαηα πεξηιακβάλνπλ δνκηθά ζηνηρεία, πιηθά ή δηαηάμεηο ελεξγνπνίεζεο, πιηθά ή δηαηάμεηο αίζζεζεο θαη πιηθά ή δηαηάμεηο ειέγρνπ. Όζν πην πξνεγκέλε είλαη ε ζχλζεζε ελφο επθπνχο ζπζηήκαηνο, ηφζν ιηγφηεξεο πξφζζεηεο εμσηεξηθά δηαηάμεηο πεξηιακβάλεη. 38

51 Κεθάλαιο 3 Ενεργά διηλεκηρικά & Ευθυη ζυζηημαηα ρήκα 3.2: ρεκαηηθή αλαπαξάζηαζε ραξαθηεξηζηηθά ελφο επθπνχο ζπζηήκαηνο. Η ηαπηφρξνλε ιεηηνπξγία ησλ ελεξγνπνηεηψλ, ησλ αηζζεηήξσλ, ηεο ηθαλφηεηαο επεμεξγαζίαο ζεκάησλ θαη ε ρξήζε αιγνξίζκσλ ειέγρνπ επηηξέπνπλ ζην ζχζηεκα λα αληηδξά απηφλνκα ζε εμσηεξηθά εξεζίζκαηα, ραξαθηεξίδνληαο έηζη κηα εμειηγκέλε θαηεγνξία επθπψλ ζπζηεκάησλ. Όκσο έλα πιήξεο επθπέο ζχζηεκα ζα πξέπεη λα ην ραξαθηεξίδνπλ θαη επηπιένλ ιεηηνπξγίεο, φπσο γηα παξάδεηγκα ιεηηνπξγίεο απηνδηάγλσζεο, απηνίαζεο, απηνυπνβάζκηζεο, πνιιαπιαζηαζκνχ θηι [Ψαξξάο, 2004]. 3.5 Εθαξκνγέο Η επηινγή ελφο πιηθνχ γηα ηελ επίηεπμε ηεο αληίζηνηρεο ιεηηνπξγίαο αθνινπζεί νξηζκέλεο αξρέο. Αξθεηά πιηθά, κεξηθά ησλ νπνίσλ θαη ηα επθπή επηιέγνληαη κε βάζε: 1. ηηο ηδηφηεηεο ηνπο 2. ηηο ελέξγεηεο πνπ κπνξνχλ λα εθηειέζνπλ 3. ηελ πξνζδνθψκελε ζπκπεξηθνξά ηεο θαηαζθεπήο ηελ νπνία απνηεινχλ. 39

52 Κεθάλαιο 3 Ενεργά διηλεκηρικά & Ευθυη ζυζηημαηα Κάζε επθπέο ζχζηεκα ζπλδπάδεη ηηο ηδηφηεηεο, ηηο ιεηηνπξγίεο κε ηελ κεηαθνξά πιεξνθνξηψλ, ζε έλα εληαίν ζχλνιν. Έλα ηέηνην ζχζηεκα πξαγκαηνπνηεί νξηζκέλεο ζεκειηψδεηο ιεηηνπξγίεο φπσο αίζζεζε ηνπ πεξηβάιινληνο θαη γεληθά ησλ εμσηεξηθψλ εξεζηζκάησλ, αλάιπζε ησλ εηζεξρφκελσλ ζεκάησλ, ζπζρεηηζκφ ηνπο κε θάπνηα δεδνκέλα πνπ είλαη πξναπνζεθεπκέλα ζηε κλήκε, θαηάιιειε αληίδξαζε κε ηνλ αληίζηνηρν κεραληζκφ ιεηηνπξγίαο ν νπνίνο ππάξρεη ζην ζχζηεκα θαη ηέινο επαλαηξνθνδφηεζε. πλεπψο, ν έιεγρνο ηεο ζπκπεξηθνξάο ηνπ ζπζηήκαηνο είλαη ηδηαίηεξα επηζπκεηφ λα γίλεηαη ζε ζπλζήθεο πξαγκαηηθνχ ρξφλνπ [Ψαξξάο, 2004]. ρήκα 3.3: Έμππλα Τιηθά 3.6 Ναλνδηειεθηξηθά Τιηθά Ο φξνο nanometric dielectrics ρξεζηκνπνηήζεθε πξψηε θνξά ην 1994 [Lewis, 1994] σο έλα κειινληηθφ πεδίν έξεπλαο ησλ δηειεθηξηθψλ. Ο φξνο ηψξα λαλνδηειεθηξηθά εηζήρζε ην 2001 [Frechette,2001] θαη αλαθέξεηαη ζε ζχλζεηα πνπ εκπεξηέρνπλ εγθιείζκαηα κε ηνπιάρηζηνλ κία δηάζηαζε ηνπο ζηελ θιίκαθα ηνπ λαλφκεηξνπ. Δχν είλαη νη βαζηθέο θαηεγνξίεο λαλνδηειεθηξηθψλ : πξψηνλ ηα πνιπθξπζηαιιηθά εκηαγψγηκα ή κνλσηηθά πιηθά πνπ έρνπλ θφθθνπο (grains) ζηε λαλνθιηκαθα θαη δεχηεξνλ ηα πνιπκεξηθά ζχλζεηα πνπ ελζσκαηψλνπλ λαλνεγθιείζκαηα. Η δεχηεξε θαηεγνξία επηδεηθλχεη αξθεηά πιενλεθηήκαηα ηφζν 40

53 Κεθάλαιο 3 Ενεργά διηλεκηρικά & Ευθυη ζυζηημαηα ζηηο κεραληθέο φζν θαη ζηηο ειεθηξηθέο ηδηφηεηεο. Έρεη εχθνιε επεμεξγαζία θαη ζεξκνκεραληθή ζηαζεξφηεηα. Σα ζχλζεηα απηά έρνπλ απμεκέλε αληνρή. Μεγαιχηεξν κέηξν ειαζηηθφηεηαο θα πςειφηεξε ζεξκνθξαζία παξακφξθσζεο [Hussain, 2006]. Αθφκε ππάξρεη εμάξηεζε ηεο ζεξκνθξαζίαο παιψδνπο κεηάβαζεο (Tg) απφ ηα λαλνεγθιείζκαηα κε παξάκεηξν ηελ θαιή ή κε πξνζθφιιεζε απηψλ κε ηε κήηξα ιφγσ ηνπ φηη εtg είλαη ζπλδεδεκέλε κε παξακέηξνπο φπσο ε κνξηαθή δνκή θαη επθηλεζία [Green, 2008]. ηηο ειεθηξηθέο ηδηφηεηεο ησλ λαλνζχλζεησλ παξαηεξείηαη βειηίσζε πνπ απνδίδεηαη ζε α) αιιαγέο ζηελ θαηαλνκή θνξηίσλ β) κείσζε ηνπ εζσηεξηθνχ πεδίνπ ιφγσ κείσζεο ηνπ κεγέζνπο ηνπ εγθιείζκαηνο θαη γ) αιιαγέο ζηε κνξθνινγία ηνπ πνιπκεξνχο. Η δηεπηθάλεηα εγθιείζκαηνο πνιπκεξνχο είλαη ζεκαληηθή ζηνλ θαζνξηζκφ ησλ ηδηνηήησλ ησλ λαλνζχλζεησλ πιηθψλ επεηδή γηα ηελ ίδηα πνζφηεηα ελίζρπζεο ηα λαλνζχλζεηα έρνπλ πνιχ κεγαιχηεξε δηεπηθάλεηα απφ φηη ηα κηθξνζχλζεηα. Οη εθαξκνγέο ησλ λαλνδηειεθηξηθψλ είλαη ζεκαληηθέο ζηνλ ηερλνινγηθφ ηνκέα. Σα πιηθά απηά κπνξνχλ λα αληηθαηαζηήζνπλ ηα ζπκβαηηθά κνλσηηθά πιηθά εμαηηίαο ηεο θαιχηεξεο δηάρπζεο θνξηίνπ ζην εζσηεξηθφ ηνπο κε απνηέιεζκα λα αληέρνπλ κεγαιχηεξεο ηάζεηο ρσξίο λα δηαηεξεζνχλ. Αθφκα βξίζθνπλ ρξήζε ζηε κηθξνειεθηξνληθή σο αγψγηκα ζπγθνιιεηηθά θαη ζηνηρεία θπθισκάησλ. Μηα εθαξκνγή ε νπνία ζα επεξεάζεη ζεκαληηθά ηηο ηερλνινγηθέο εμειίμεηο είλαη ε πξνζνκνίσζε ηεο δηάηαμεο ησλ λαλνεγθιεηζκάησλ κε έλα δηεζπαξκέλν δίθηπν λαλνππθλσηψλ. Η ρσξεηηθφηεηα είλαη ζεκειηψδεο πνζφηεηα ησλ δηειεθηξηθψλ ε νπνία απμάλεη φζν νη δηαζηάζεηο κεηαμχ ησλ λαλνεγθιεηζκάησλ κεηψλνληαη. Σν γεγνλφο απηφ δίλεη ηελ πηζαλφηεηα λα αμηνπνηεζνχλ ηα εγθιείζκαηα σο έλα εγγελέο ζχζηεκα λαλνππθλσηψλ. Η θφξηηζε θαη ε εθθφξηηζε ησλ λαλνππθλσηψλ νξίδεη κία δηαδηθαζία απνζήθεπζεο ελέξγεηαο ζηελ λαλνθιηκαθα ε νπνία δεκηνπξγεί έλα λέν ηχπν λαλαδηαηαμεσλ. Σα λαλνπιεξσηηθά πιηθά ζπρλά ρξεζηκνπνηνχληαη σο δνκηθά ζπζηαηηθά ζε λαλνζχλζεηα ζπζηήκαηα, ζε νξηζκέλεο φκσο πεξηπηψζεηο ηα ίδηα ζπζηαηηθά κπνξνχλ λα παίμνπλ ην ξφιν ηνπ λαλνππθλσηή ή δνκηθήο κπαηαξίαο. Επηπιένλ, ε παξνπζία ελεξγψλ δηειεθηξηθψλ (πηεδνθξπζηαιιηθα, ζηδεξνειεθηξηθά ή πνιηθά νμείδηα) κέζα ζηελ πνιπκεξηθή κήηξα παξέρεη ιεηηνπξγηθφηεηα ζην λαλνζχλζεην κέζσ ηεο κεηαβαιιφκελεο ειεθηξηθήο πφισζεο. πλδπάδνληαο ηε κεραληθή θαη ηελ ειεθηξηθή ελίζρπζε κε κηα δηαδηθαζία απνζήθεπζεο ελέξγεηαο θαη ιεηηνπξγηθφηεηα νδεγνχκαζηε ζε κηα ζεκαληηθή πξνζέγγηζε ηεο ηδέαο ησλ επθπψλ πιηθψλ σο αηζζεηήξεο, ελεξγνπνηεηέο θαη ζπζηήκαηα απνζήθεπζεο ελέξγεηαο [Psarras, 2008]. 41

54 Κευάλαιο 4 Ηλεκτρική σσμπεριυορά σύνθετων σλικών πολσμερικής μήτρας ΚΔΦΑΛΑΙΟ 4 ΗΛΔΚΣΡΙΚΗ ΤΜΠΔΡΙΦΟΡΑ ΤΝΘΔΣΧΝ ΤΛΙΚΧΝ ΠΟΛΤΜΔΡΙΚΗ ΜΗΣΡΑ 4.1 Δηζαγσγή ηελ παξνύζα εξγαζία κειεηήζεθαλ ζύλζεηα πιηθά, ζηα νπνία ε ρξεζηκνπνηνύκελε κήηξα είλαη πνιπκεξηθή. ην θεθάιαην απηό πεξηγξάθνληαη νη δηεξγαζίεο ραιάξσζεο ζύλζεησλ πνιπκεξηθώλ πιηθώλ. Σα ζύλζεηα πνιπκεξηθά πιηθά απνηεινύληαη από δύν ηνπιάρηζηνλ δηαρσξίζηκεο θάζεηο: ηελ πνιπκεξηθή κήηξα θαη ην πιεξσηηθό κέζν (εληζρπηηθή θάζε). Η ειεθηξηθή ζπκπεξηθνξά ησλ ζπζηεκάησλ απηώλ ζρεηίδεηαη κε ηελ ειεθηξηθή ζπκπεξηθνξά ησλ δύν θάζεσλ, ηε ζπγθέληξσζε ηνπ ζπζηήκαηνο ζε πιεξσηηθό κέζν, ην κέγεζνο θαη ην ζρήκα ησλ ζσκαηηδίσλ θαη ηηο πηζαλέο αιιειεπηδξάζεηο κεηαμύ ησλ δύν θάζεσλ. Οη δηεξγαζίεο ραιάξσζεο, πνπ θαηαγξάθνληαη ζηα ζύλζεηα πνιπκεξηθά πιηθά, πεξηιακβάλνπλ ζπλεηζθνξέο ηόζν από ηελ πνιπκεξηθή κήηξα όζν θαη από ηελ παξνπζία ηεο εληζρπηηθήο θάζεο. 4.2 Γηειεθηξηθή Υαιάξσζε ύλζεησλ Τιηθώλ Πνιπκεξηθήο Μήηξαο Οη δηεξγαζίεο δηειεθηξηθήο ραιάξσζεο θαη ζπλεπώο ην ζύλνιν ησλ απσιεηώλ ζηα ζηεξεά δηειεθηξηθά, νθείινληαη αθελόο ζηελ θίλεζε ησλ κόληκσλ δηπόισλ ζην κνξηαθό ηνπο πεξηβάιινλ θαη αθεηέξνπ ζε θνξείο, δειαδή ηόληα, πνιαξόληα, ειεθηξόληα, πνπ θηλνύληαη κεηαμύ δύν ή πεξηζζόηεξσλ πηζαλώλ ζέζεσλ ηζνξξνπίαο. Απηέο νη ζέζεηο ηζνξξνπίαο ρσξίδνληαη κεηαμύ ηνπο από θξάγκα δπλακηθνύ, ην ύςνο ηνπ νπνίνπ, αληηζηνηρεί ζηελ ελέξγεηα ελεξγνπνίεζεο ηεο αληίζηνηρεο δηαδηθαζίαο. Υαιάξσζε νλνκάδνπκε ην θαηλόκελν θαηά ην νπνίν έλα θπζηθό ζύζηεκα θαζπζηεξεί λα παξαθνινπζήζεη κία εμσηεξηθά επηβαιιόκελε δηέγεξζε. Σν θαηλόκελν αξρηθά κειεηήζεθε γηα κεραληθέο πεξηνδηθέο δηεγέξζεηο αιιά ζηελ ζπλέρεηα έγηλε θαλεξό πσο ε κεζνδνινγία κπνξεί λα εθαξκνζζεί ζηελ πεξηγξαθή θαηλνκέλσλ ραιάξσζεο νθεηιόκελα ζε παικηθέο ειεθηξηθέο δηεγέξζεηο. Ο ρξόλνο ραιάξσζεο κπνξεί λα νξηζηεί σο ην αληίζηξνθν ηνπ ξπζκνύ ππεξπήδεζεο ησλ δηπόισλ ή θνξηίσλ πάλσ από ηα θξάγκαηα δπλακηθνύ. Η ζεξκνθξαζία επηδξά ζηνπο ρξόλνπο ραιάξσζεο, θαζώο ηα δίπνια ή ηα θνξηία απνθηνύλ κεγαιύηεξε θηλεηηθή ελέξγεηα ώζηε λα ππεξπεδνύλ ηα θξάγκαηα δπλακηθνύ. Έηζη π.ρ. ε αύμεζε ηεο ζεξκνθξαζίαο έρεη ζαλ απνηέιεζκα, ηα δίπνια λα πξνζαλαηνιίδνληαη πην εύθνια θαη πην γξήγνξα κε ην ειεθηξηθό πεδίν, πξάγκα πνπ νδεγεί ζηε κείσζε ηνπ ρξόλνπ ραιάξσζεο. 42

55 Κευάλαιο 4 Ηλεκτρική σσμπεριυορά σύνθετων σλικών πολσμερικής μήτρας Η εθαξκνγή ηάζεο ζε ζπζηήκαηα πνπ ε δνκή ηνπο πεξηέρεη κόληκα δίπνια νδεγεί ζε πξνζαλαηνιηζκό ησλ δίπνισλ πξνο ηε δηεύζπλζε ηνπ εθαξκνδόκελνπ πεδίνπ. Η δηαδηθαζία πξνζαλαηνιηζκνύ θαηά ηνλ Debye κπνξεί λα ρσξηζηεί ζε δύν ζηάδηα: Αξρηθά ε ηάζε πξνθαιεί κηα αθαξηαία (πξαθηηθά ην ρξνληθό δηάζηεκα είλαη ηόζν κηθξό πνπ κπνξνύκε λα ηζρπξηζηνύκε πσο ζπκβαίλεη αθαξηαία) παξακόξθσζε ζηα κόληκα δίπνια, ελώ ζηε ζπλέρεηα ε εκθάληζε ησλ θαηλόκελσλ πνισζηκόηεηαο πξνζαλαηνιηζκνύ απαηηεί κεγαιύηεξν ρξνληθό δηάζηεκα γηα λα ηελ επίηεπμε ησλ ηηκώλ θνξεζκνύ ηεο. [Ηedvig, 1977]. Έλαο ζεκαληηθόο παξάγνληαο πνπ επεξεάδεη ηε δηειεθηξηθή ζπκπεξηθνξά είλαη ε απνξξόθεζε πγξαζίαο. Σν ζύλζεην πιηθό κπνξεί λα απνξξνθήζεη πνζά πγξαζίαο ηόζν από ηε κεηξηθή θάζε, όζν θαη από ηελ ελίζρπζε. Σα ζεκεία ζηα νπνία ε πξόζιεςε πγξαζίαο είλαη επθνιόηεξε, είλαη ε δηεπηθάλεηα θαη ηα δηάθελα. Η παξνπζία ηεο απμάλεη ηελ αγσγηκόηεηα ζπλερνύο ξεύκαηνο θαη κεηώλεη ηε δηειεθηξηθή αληνρή ηνπ ζύλζεηνπ. Παξάιιεια απμάλεη ηνλ παξάγνληα απσιεηώλ θαη ζε κηθξόηεξν βαζκό ηελ δηειεθηξηθή ζηαζεξά. Οη ζρέζεηο, πνπ πεξηγξάθνπλ ηελ εμάξηεζε ηνπ ρξόλνπ ραιάξσζεο από ηελ ζεξκνθξαζία θαη ρξεζηκνπνηνύληαη πην ζπρλά είλαη : Η εμίζσζε Arrhenius [H. Frohlich, 1958] : exp max 0 k (4.1) όπνπ ηmax ν ρξόλνο ραιάξσζεο πνπ αληηζηνηρεί ζηελ ζπρλόηεηα ηνπ κεγίζηνπ ησλ δηειεθηξηθώλ απσιεηώλ, 0 είλαη ν πξνεθζεηηθόο παξάγνληαο, E A ε ελέξγεηα ελεξγνπνίεζεο, k B ε ζηαζεξά Boltzmann θαη T ε ζεξκνθξαζία. ύκθσλα κε απηή ηελ εμίζσζε ηα δίπνια θηλνύληαη αλεμάξηεηα ην έλα από ην άιιν θαη αιιειεπηδξνύλ κόλν κε ην πεδίν. Η εμίζσζε Vogel-Fulcher-Tamann [Vogel, 1921], [Fulcher, 1925], [Tamann, 1926]. B exp T T0 max 0 (4.2) όπνπ B κηα ζηαζεξά πνπ ζρεηίδεηαη κε ηελ ελέξγεηα ελεξγνπνίεζεο θαη Σ0 ε ζεξκνθξαζία Vogel. Η ζεξκνθξαζία Vogel ζπλδέεηαη κε ηε ζεξκνθξαζία παιώδνπο κεηάβαζεο Σg. Οη παξάκεηξνη απηέο είλαη αλεμάξηεηεο ηεο ζεξκνθξαζίαο. Η εμίζσζε (4.2) πεξηγξάθεη ηελ εμάξηεζε ησλ ρξόλσλ ραιάξσζεο από ηε ζεξκνθξαζία γηα δηεξγαζίεο, πνπ νθείινληαη ζε ζπλεξγαζηαθέο θηλήζεηο ησλ δηπόισλ. 43

56 Κευάλαιο 4 Ηλεκτρική σσμπεριυορά σύνθετων σλικών πολσμερικής μήτρας 4.3 Σξόπνη Υαιάξσζεο Πνιπκεξηθήο Μήηξαο Οη πην ζπρλά παξαηεξνύκελεο δηεξγαζίεο ζηα άκνξθα θαη εκηθξπζηαιιηθά πνιπκεξή είλαη νη δηεξγαζίεο ηεο α-, β-,γ-ραιάξσζεο. α-ραιάξσζε Η α-ραιάξσζε είλαη κηα δηεξγαζία, ε νπνία ζρεηίδεηαη κε ηελ κεηάβαζε από ηελ παιώδε θάζε ζηελ ειαζηνκεξηθή θάζε [J. P. Runt et al., 1997], [U. W. Gedde, 1995]. Η κεηάβαζε απηή ραξαθηεξίδεηαη από ηε ζεξκνθξαζία παιώδνπο κεηάβαζεο Tg. Γηα ζεξκνθξαζία Tg > Σ ε πνιπκεξηθή κήηξα είλαη ειαζηηθή (rubbery), ελώ γηα Tg < Σ είλαη παιώδεο. Η δηεξγαζία ηεο α-ραιάξσζεο θαη ην θαηλόκελν ηεο παιώδνπο κεηάβαζεο, πνπ ηε ζπλνδεύεη δελ έρνπλ γίλεη πιήξσο θαηαλνεηά. Η κηθξνζθνπηθή πεξηγξαθή ηεο δηεξγαζίαο απηήο είλαη έλα πξόβιεκα, πνπ απαζρνιεί κέρξη ζήκεξα ηελ επηζηήκε ησλ πνιπκεξώλ. Δίλαη θαλεξό, όηη ε παιώδεο κεηάβαζε είλαη έλα ζπλεξγαζηαθό θαηλόκελν θαη όηη ε α-ραιάξσζε αληηζηνηρεί ζε κηθξν-brownian θηλήζεηο κεγάισλ ηκεκάησλ ηεο πνιπκεξηθήο αιπζίδαο. Δπίζεο, νη θηλήζεηο απηέο ζρεηίδνληαη κε αιιαγέο ζηε δηακόξθσζε ηεο αιπζίδαο, όπνπ νδεγνύλ ζε πεξηζηξνθή ησλ δηπόισλ γύξσ από ηελ αιπζίδα (ηα δίπνια είλαη ζπλδεδεκέλα ζηέξεα, θάζεηα ζηελ πνιπκεξηθή αιπζίδα). Απηέο νη ζηνηρεηώδεηο θηλήζεηο, νη νπνίεο νλνκάδνληαη ηνπηθέο θηλήζεηο ηεο πνιπκεξηθήο αιπζίδαο είλαη πάξα πνιύ ζύλζεηεο θαη ραξαθηεξίδνληαη από πνιινύο βαζκνύο ειεπζεξίαο. Η ειαζηηθή (rubbery) ζπκπεξηθνξά ησλ πνιπκεξώλ νθείιεηαη αθξηβώο ζε απηή ηελ ηθαλόηεηα ηνπο λα αιιάδνπλ ηε δηακόξθσζε ησλ πνιπκεξηθώλ ηνπο αιπζίδσλ ζηε ζεξκνθξαζία Tg. Οη ηνπηθέο θηλήζεηο ηεο πνιπκεξηθήο αιπζίδαο ιακβάλνπλ ρώξα ζε έλα πεξηβάιινλ κε κεγάιε ππθλόηεηα αιπζίδσλ. Δμαηηίαο απηήο ηεο κεγάιεο ππθλόηεηαο νη ελδνκνξηαθέο αιιειεπηδξάζεηο, κεηαμύ ησλ πνιπκεξηθώλ αιπζίδσλ, ζπλεηζθέξνπλ ζηε δηεξγαζία ηεο α-ραιάξσζεο καδί κε ηηο ελδνκνξηαθέο αιιειεπηδξάζεηο ηεο ίδηαο ηεο αιπζίδαο. Η α-ραιάξσζε παξνπζηάδεη εμάξηεζε από ηε ζεξκνθξαζία, ε νπνία αθνινπζεί ηελ εμίζσζε Vogel-Fulcher-Tamann (4.2). 44

57 Κευάλαιο 4 Ηλεκτρική σσμπεριυορά σύνθετων σλικών πολσμερικής μήτρας β-, γ-ραιάξσζε Η β-ραιάξσζε απνδίδεηαη: ζε επαλαπξνζαλαηνιηζκό πιεπξηθώλ ηκεκάησλ ηεο πνιπκεξηθήο αιπζίδαο θαη ε γ-ραιαξώζή απνδίδεηαη ζε πεξηνξηζκέλεο ηνπηθέο θηλήζεηο κηθξώλ ηκεκάησλ ηεο πνιπκεξηθήο αιπζίδαο [J. P. Runt et al., 1997]. Απηέο νη δηεξγαζίεο θαηαγξάθνληαη ζε πςειόηεξεο ζπρλόηεηεο θαη ρακειόηεξεο ζεξκνθξαζίεο απ όηη ε α-ραιάξσζε θαη όζνλ αθνξά ζηε ζεξκνθξαζηαθή ηνπο εμάξηεζε, παξνπζηάδνπλ ζπκπεξηθνξά ηύπνπ Arrhenius ζύκθσλα κε ηε ζρέζε (4.1). 4.4 Γηεξγαζίεο ραιάξσζεο εληζρπηηθήο θάζεο Μηα δηεξγαζία ε νπνία νθείιεηαη ζηελ παξνπζία ηεο εληζρπηηθήο θάζεο ζηα ζύλζεηα πνιπκεξηθά πιηθά είλαη ε δηεπηθαλεηαθή πόισζε ή αιιηώο θαηλόκελν Maxwell-Wagner-Sillars(MWS) Σν θαηλόκελν Maxwell-Wagner-Sillars (MWS) εκθαλίδεηαη ζε ζπζηήκαηα πνπ παξνπζηάδνπλ πςειή ειεθηξηθή εηεξνγέλεηα κεηαμύ ησλ θάζεσλ ηνπο, δειαδή ζε πιηθά ηα νπνία απνηεινύληαη από πεξηνρέο κε δηαθνξεηηθή δηειεθηξηθή ζηαζεξά θαη αγσγηκόηεηα. Μηα πνηνηηθή εξκελεία ηνπ θαηλόκελνπ απηνύ είλαη όηη ηα θνξηία παγηδεύνληαη ζηηο δηεπηθάλεηεο ησλ δηαθνξεηηθώλ θάζεσλ (πνιπκεξηθή κήηξα-εληζρπηηθή θάζε) δεκηνπξγώληαο κεγάια δίπνια, ηα νπνία δελ αθνινπζνύλ αθαξηαία ηηο ελαιιαγέο ηνπ ειεθηξηθνύ πεδίνπ. Η εμάξηεζε ηνπ θαηλνκέλνπ MWS από ηε ζεξκνθξαζία πεξηγξάθεηαη από ηελ εμίζσζε Arrhenius (4.1). Δδώ πξέπεη λα ζεκεησζεί όηη ε παξνπζία ηνπ πιεξσηηθνύ κέζνπ επεξεάδεη θαη ηηο δηεξγαζίεο ραιάξσζεο πνπ νθείινληαη ζηελ πνιπκεξηθή κήηξα (α-, β-, γ-ραιάξσζε) θαζόζνλ αιιάδεη ην πεξηβάιινλ κέζα ζην νπνίν ιακβάλνπλ ρώξα απηέο νη δηεξγαζίεο. [P. B. Macedo et al., 1972], [A. A. Bakr et al., 1977], [H. W. Starkweather et al., 1992]. Σν θαηλόκελν ηεο δηεπηθαλεηαθήο πόισζεο πεξηγξάθεηαη επίζεο κέζσ κηαο δηεξγαζίαο ηύπνπ Debye ζύκθσλα κε ηηο ζρέζεηο [Tsangaris, 1991], : s ' (4.3) ( s ) " (4.4) όπνπ ζ ε εηδηθή αγσγηκόηεηα ηνπ ζπζηήκαηνο θαη όπνπ, εs θαη είλαη νη νξηαθέο ηηκέο ηνπ πξαγκαηηθνύ κέξνπο ηεο ειεθηξηθήο δηαπεξαηόηεηαο γηα σ 0 θαη αληίζηνηρα. 45

58 Κευάλαιο 4 Ηλεκτρική σσμπεριυορά σύνθετων σλικών πολσμερικής μήτρας Η εκθάληζε ηνπ θαηλόκελνπ ηεο δηεπηθαλεηαθήο πόισζεο ζρεηίδεηαη κε [Perrier, 1997].: Σηο ζπλζήθεο πνπ επηθξαηνύλ ζην πιηθό, ηε ζπρλόηεηα ηνπ εθαξκνδόκελνπ πεδίνπ θαη ηε ζεξκνθξαζία, από ην ζρήκα θαη ην κέγεζνο ηνπ πιεξσηηθνύ κέζνπ, από ην είδνο ηνπ εληζρπηηθνύ κέζνπ θαη από ην είδνο ηεο κήηξαο 4.5 Πόισζε ειεθηξνδίσλ Η πόισζε ειεθηξνδίσλ είλαη έλα παξαζηηηθό θαηλόκελν ησλ δηειεθηξηθώλ κεηξήζεσλ. πγθεθξηκέλα είλαη ε ζπζζώξεπζε θνξηίσλ ρώξνπ ζηελ πεξηνρή ησλ ειεθηξνδίσλ όηαλ ε επαθή κεηαμύ δηειεθηξηθνύ θαη ειεθηξνδίσλ δελ είλαη σκηθή. Η ζπζζώξεπζε θνξηίσλ ρώξνπ ζηε δηεπηθάλεηα ειεθηξνδίσλ-δηειεθηξηθνύ έρεη ζαλ απνηέιεζκα ηε δεκηνπξγία κεγάισλ δηπόισλ, ηα νπνία ζπλεηζθέξνπλ ζηελ πόισζε ηνπ δηειεθηξηθνύ [J. R. MacDonald, 1987]. Η πόισζε ησλ ειεθηξνδίσλ είλαη έλα αλεπηζύκεην θαηλόκελν, ην νπνίν εκπνδίδεη ηελ θαηαγξαθή ησλ άιισλ δηεξγαζηώλ ραιάξσζεο. Η απαιεηθή απηνύ ηνπ ζνβαξνύ πξνβιήκαηνο γίλεηαη κε ηνλ θνξκαιηζκό ηνπ ειεθηξηθνύ κέηξνπ, ε αλάιπζε ηνπ νπνίνπ ζα γίλεη εθηελώο ζε επόκελε παξάγξαθν. 4.6 Φνξκαιηζκόο Ηιεθηξηθνύ Μέηξνπ Η πόισζε ελόο δηειεθηξηθνύ πνπ βξίζθεηαη ζε έλα ελαιιαζζόκελν ειεθηξηθό πεδίν εμαξηάηαη από ηε ζπρλόηεηα ηνπ πεδίνπ. Καηά ζπλέπεηα, ε πξνθύπηνπζα πόισζε δελ ιακβάλεη αθαξηαία ηε κέγηζηε ηηκή ηεο αιιά απαηηείηαη γη απηό θάπνην ρξνληθό δηάζηεκα. Απηή ε θαζπζηέξεζε ηεο πόισζεο απνδίδεηαη ζην ημώδεο ηνπ κέζνπ, δειαδή ζηελ αληίζηαζε πνπ πξνβάιιεηαη από ην κέζν ζε θηλήζεηο ζην εζσηεξηθό ηνπ θαη ζηελ αδξάλεηα πνπ εκθαλίδνπλ ηα ειεθηξηθά δίπνια θαηά ηνλ πξνζαλαηνιηζκό ηνπο ζηελ ελαιιαζζόκελε δηεύζπλζε ηνπ εθαξκνδόκελνπ πεδίνπ. ηελ πεξίπησζε όπνπ ν ρξόλνο ελαιιαγήο ηνπ πεδίνπ είλαη κηθξόηεξνο από ην ρξόλν ραιάξσζεο κηαο δηαδηθαζίαο ηα δίπνια αδπλαηνύλ λα παξαθνινπζήζνπλ ηηο ελαιιαγέο ηνπ πεδίνπ θαη λα πξνζαλαηνιηζηνύλ. Η πεξηγξαθή ησλ θαηλνκέλσλ δηειεθηξηθήο ραιάξσζεο γίλεηαη κέζσ ηνπ θνξκαιηζκνύ ηεο ειεθηξηθήο δηαπεξαηόηεηαο (ε ), ηνπ ειεθηξηθνύ κέηξνπ (Μ ) θαη ηεο εηδηθήο αγσγηκόηεηαο ελαιιαζζόκελνπ (ζac). 46

59 Κευάλαιο 4 Ηλεκτρική σσμπεριυορά σύνθετων σλικών πολσμερικής μήτρας Σν ειεθηξηθό κέηξν νξίδεηαη από ηε ζρέζε : ' '' 1 ' '' M i M im (4.5) '2 ''2 '2 ''2 όπνπ M' θαη M'' ην πξαγκαηηθό θαη θαληαζηηθό κέξνο ηνπ ειεθηξηθνύ κέηξνπ, αληίζηνηρα. Η κειέηε ηεο δηειεθηξηθήο απόθξηζεο πιηθώλ κε ηε ρξήζε ηνπ ειεθηξηθνύ κέηξνπ πιενλεθηεί έλαληη ηεο κειέηεο κε ρξήζε ησλ ε ' (σ ) θαη ε '' (σ ) ζηελ πεξίπησζε όπνπ ην πιηθό εκθαλίδεη έληνλα παξαζηηηθά θαηλόκελα όπσο ε πόισζε ειεθηξνδίσλ θαη ε έγρπζε θνξηίσλ ρώξνπ, ηα νπνία νδεγνύλ ζε πςειέο ηηκέο ηεο δηειεθηξηθήο ζηαζεξάο θαη ηεο αγσγηκόηεηαο [G. M. Tsangaris, 1998], [G. C. Psarras. 2002]. Με ηελ αλαπαξάζηαζε απηή, ιόγσ ηεο εμάξηεζε ηνπ M* από ην αληίζηξνθν ηνπ ε* θαη ηελ θαλνληθνπνίεζε ηνπ θαη ην δηαρσξηζκό πξαγκαηηθνύ θαη θαληαζηηθνύ κέξνπο, ηα θαηλόκελα απηά εκθαλίδνληαη ιηγόηεξν έληνλα, κε απνηέιεζκα ηε ζαθέζηεξε θαηαγξαθή ησλ δηεξγαζηώλ ραιάξσζεο. 4.7 Ηιεθηξηθή αγσγηκόηεηα Δθηόο από ηηο θακπύιεο ε ' ( f ) θαη ε '' ( f ), νη νπνίεο πεξηγξάθνπλ ηηο δηεξγαζίεο ραιάξσζεο ζε έλα δηειεθηξηθό πιηθό, αλάινγα ζπκπεξάζκαηα κπνξνύλ λα εμαρζνύλ θαη από ηε κειέηε ηεο εμάξηεζεο ηεο εηδηθήο αγσγηκόηεηαο από ηε ζπρλόηεηα. Η ειεθηξηθή εηδηθή αγσγηκόηεηα ελαιιαζζόκελνπ ειεθηξηθνύ πεδίνπ πεξηέρεη όινπο ηνπο κεραληζκνύο απσιεηώλ ελόο δηειεθηξηθνύ θαη κπνξεί λα ππνινγηζηεί από ηε ζρέζε : ' i '' i (4.6) * '' ' ε έλα κε ηδαληθό δηειεθηξηθό ππάξρεη πάληα ειεθηξηθή εηδηθήο αγσγηκόηεηα ζπλερνύο (ζdc ), ε νπνία ζπλεηζθέξεη ζηε κεηξνύκελε ειεθηξηθή εηδηθή αγσγηκόηεηα ζ*. Η ζdc είλαη ε ηηκή ηνπ πξαγκαηηθνύ κέξνπο ηεο ειεθηξηθήο εηδηθήο αγσγηκόηεηαο ζ '(σ) όηαλ ε ζπρλόηεηα σ ηείλεη ζην κεδέλ. Γηα ζηαζεξή ζεξκνθξαζία ε αγσγηκόηεηα ελαιιαζζόκελνπ κπνξεί λα εθθξαζηεί σο : όπνπ, dc ' n ( ) A (4.7) dc ε εηδηθή αγσγηκόηεηα ζπλερνύο ε νπνία είλαη ίζε κε ηελ ηηκή ηεο όηαλ ε θπθιηθή ζπρλόηεηα ηείλεη ζην κεδέλ ( 0 ) θαη, n παξάκεηξνη πνπ εμαξηώληαη από ηε ζεξκνθξαζία θαη ηελ πεξηεθηηθόηεηα ζε εγθιείζκαηα. 47

60 Κευάλαιο 4 Ηλεκτρική σσμπεριυορά σύνθετων σλικών πολσμερικής μήτρας Οη παξάκεηξνη Α θαη n ( 0 < n <1) εμαξηώληαη από ηε ζεξκνθξαζία, ηε ζύλζεζε θαη ηε κνξθνινγία ησλ πιηθώλ. Η ζρέζε απηή είλαη εκηεκπεηξηθή έρεη βξεζεί λα πεξηγξάθεη πιήζνο δηαθνξεηηθώλ πιηθώλ πνπ όια κπνξνύλ λα ραξαθηεξηζζνύλ σο αδηάηαθηα (disordered) θαη είλαη γλσζηή ζηε βηβιηνγξαθία σο Νόκνο ηεο Παγθόζκηαο Γηειεθηξηθήο Απόθξηζεο [A. K. Jonscher, 1983]. 4.8 Δπίδξαζε ηεο Καηαλνκήο Υξόλσλ Υαιάξσζεο Cole-Cole Έλαο εύρξεζηνο ηξόπνο γηα ηε δηεξεύλεζε ηεο θαηαλνκήο ρξόλσλ ραιάξσζεο είλαη ηα δηαγξάκκαηα ε = f(ε ) ηνπ παξάγνληα απσιεηώλ ε ζπλαξηήζεη ηνπ πξαγκαηηθνύ κέξνπο ηεο ειεθηξηθήο δηαπεξαηόηεηα ε, γλσζηά θαη σο δηαγξάκκαηα Cole Cole [Cole, 1941]. Σν όλνκα δόζεθε πξνο ηηκή ησλ K.S.Cole θαη Ρ.Η. Cole πνπ ήηαλ δηθή ηνπο επηλόεζε. ηελ πεξίπησζε κηαο δηεξγαζίαο Debye ην δηάγξακκα παίξλεη ηε κνξθή ελόο πιήξνπο εκηθπθιίνπ. Η εμίζσζε ηνπ εκηθπθιίνπ δίλεηαη από ηελ ζρέζε: ( * ) i( * ) s (4.8) όπνπ ε s θαη ε νη νξηαθέο ηηκέο ηεο ειεθηξηθήο δηαπεξαηόηεηαο ε γηα σ 0 θαη γηα σ αληίζηνηρα. Όπσο θαίλεηαη ζην ζρήκα (4.1) ηα ζεκεία ( ε, ε ), βξίζθνληαη επάλσ s ζε εκηθύθιην κε θέληξν ζηνλ άμνλα ε ην ζεκείν (, 0), αθηίλα 2 s ( θαη ζεκεία ηνκήο κε ηελ ηεηκεκέλε ηα: ε = ε s θαη ε = ε. 2 ρήκα 4.1: ρεκαηηθή αλαπαξάζηαζε ηνπ δηαγξάκκαηνο Cole Cole, γηα δηεξγαζία ηύπνπ Debye [Φαξξάο, 2004]. 48

61 Κευάλαιο 4 Ηλεκτρική σσμπεριυορά σύνθετων σλικών πολσμερικής μήτρας Οη εμηζώζεηο δηαζπνξάο Debye πεξηγξάθνπλ κηα δηεξγαζία ραιάξσζεο πνπ ραξαθηεξίδεηαη από έλαλ ρξόλν ραιάξσζεο. Σα πνιπκεξή πιηθά απνθιίλνπλ από ηε ζπκπεξηθνξά απηή θαη ηα αληίζηνηρα δηαγξάκκαηα Cole Cole δίλνπλ εκηθύθιηα κε θέληξν θάησ από ηνλ άμνλα x ή πεπιαηπζκέλα εκηθύθιηα. Οη Cole Cole ζεώξεζαλ δηεξγαζίεο πνπ ραξαθηεξίδνληαη από κία ζπκκεηξηθή θαηαλνκή ρξόλνπ ραιάξσζεο. Σν πξαγκαηηθό θαη ην θαληαζηηθό κέξνο ηεο κηγαδηθήο ειεθηξηθήο δηαπεξαηόηεηαο, κε βάζε ηελ ζεώξεζε Cole Cole, δίδνληαη από ηηο ζρέζεηο: 1 s 1 sin ' sin 2 (4.9) '' 1 s cos 2 (4.) sin 2 όπνπ 0 1. Γηα ηε δηεξγαζία Debye ηζρύεη 0. Υξεζηκνπνηώληαο ην θνξκαιηζκό ηνπ ειεθηξηθνύ κέηξνπ ζηε ζεώξεζε Cole Cole, πξνθύπηεη [Tsangaris, 1998]: M M M [ M A ( M M )cos ] s M M M M M M s s s 2 ( s) s cos ( s) (4.11) M M M [( M M )sin ] s M M M M M M s s 2 ( s) s cos ( s) (4.12) κε A 2 1a 2(1 ) 1/2 [1 2( ) sin ( ) ] (4.13) θαη όπνπ 2 2 M νη νξηαθέο ηηκέο ηνπ ειεθηξηθνύ κέηξνπ M s θαη 1 (1 ) arctg[( ) cos /1 ( ) sin ] (4.14) αληίζηνηρα, γηα ηα νπνία ηζρύεη Ms 1/ s θαη M 1/. ' M γηα 0 θαη γηα 49

62 Κευάλαιο 4 Ηλεκτρική σσμπεριυορά σύνθετων σλικών πολσμερικής μήτρας Cole Davidson Μηα άιιε γεληθεπκέλε έθθξαζε ηεο ε (σ ) πξνηάζεθε από ηνπο Davidson θαη Cole [Davidson, 1950] θαη έρεη ηε κνξθή: s *( ) (1 j ) 0 < γ 1 (4.15) Η ζεώξεζε Cole-Davidson κεηαπίπηεη ζε δηεξγαζία Debye όηαλ ζηελ εμίζσζε (4.17) ηεζεί ε ηηκή γ=1. Η ζεώξεζε Cole Davidson πεξηγξάθεη κηα δηεξγαζία όπνπ ε θαηαλνκή ησλ ρξόλσλ ραιάξσζεο είλαη κε ζπκκεηξηθή θαη ηα ' '' ζεκεία (, ) βξίζθνληαη επάλσ ζε έλα πεπιαηπζκέλν εκηθύθιην πνπ ην θέληξν ' ηνπ είλαη κεηαηνπηζκέλν θάησ από άμνλα. Σν πξαγκαηηθό θαη ην θαληαζηηθό κέξνο ηεο κηγαδηθήο ειεθηξηθήο δηαπεξαηόηεηαο είλαη, κε βάζε ηελ ζεώξεζε Cole Davidson: cos ' s cos (4.16) '' cos sin (4.17) s 1 όπνπ, tan, max tan(. ) 1 2 κε θ, γ ζηαζεξέο θαη 0 < γ 1. Με ηε ρξήζε ηνπ θνξκαιηζκνύ ηνπ ειεθηξηθνύ κέηξνπ γηα ηελ αλαπαξάζηαζε Cole Davidson έρνπκε [Tsangaris, 1998] [Psarras, 2003]: M M [ M ( M M )(cos ) cos ( )(cos ) [2 cos ( )](cos ) s s s M M 2 s M M s M s M M s (4.18) M M [( M M )(cos ) cos ( )(cos ) [2 cos ( )](cos ) s s M M 2 s M M s M s M M s (4.19) όπνπ

63 Κευάλαιο 4 Ηλεκτρική σσμπεριυορά σύνθετων σλικών πολσμερικής μήτρας Havriliak Negami Μηα αθόκε γελίθεπζε ηεο έθθξαζεο Havriliak-Negami [Havriliak, 1966] θαη είλαη ε εμήο : 1 s j 1 πξνηάζεθε από ηνπο (4.20) Δίλαη πξνθαλέο όηη ε εμίζσζε απηή είλαη γελίθεπζε ησλ Cole-Cole θαη Cole-Davidson θαη κεηαπίπηεη ζε Cole-Cole όηαλ 1 θαη 0 θαη ζε Cole- Davidson όηαλ 0 θαη 1. Η ζεώξεζε Havriliak Negami πεξηγξάθεη κηα δηεξγαζία ζηελ νπνία έρνπκε ππέξζεζε ζπκκεηξηθήο θαη κε ζπκκεηξηθήο θαηαλνκήο ρξόλσλ ραιάξσζεο, κε ηα ζεκεία (, ) λα βξίζθνληαη επάλσ ζε έλα παξακνξθσκέλν εκηθύθιην. Σν πξαγκαηηθό θαη ην θαληαζηηθό κέξνο ηεο κηγαδηθήο ειεθηξηθήο δηαπεξαηόηεηαο είλαη, κε βάζε ηε ζεώξεζε Havriliak Negami: ' s cos (4.21) sin 2 ' '' '' s sin sin 2 2 (4.22) όπνπ tan κε,, ζηαζεξέο. ην θνξκαιηζκό ηνπ ειεθηξηθνύ κέηξνπ γηα ηελ αλαπαξάζηαζε Havriliak Negami, πξνθύπηεη [Tsangaris, 1998]: M M [ M A ( M M )cos ] A M M A A M M M M M s s s ( ) cos [ ] s s s s (4.23) M M [( M M )sin ] A M M A A M M M M M s s ( ) cos [ ] s s s s (4.24) όπνπ, ηα A θαη δίλνληαη από ηηο ζρέζεηο (4.13) θαη (4.15). 51

64 Κευάλαιο 4 Ηλεκτρική σσμπεριυορά σύνθετων σλικών πολσμερικής μήτρας 4.9 ηαηηζηηθά Μίγκαηα Καηά θαηξνύο πξνηάζεθαλ αξθεηέο εμηζώζεηο γηα ηε κειέηε ηεο ειεθηξηθήο δηαπεξαηόηεηαο ζπλζέησλ ζπζηεκάησλ. ηηο ζρέζεηο απηέο ιακβάλεηαη ππ όςε ηόζν ε ειεθηξηθή δηαπεξαηόηεηα όζν θαη ηα νγθνκεηξηθά θιάζκαηα ησλ ζπζηαηηθώλ ηνπ ζπλζέηνπ. Οη πεξηζζόηεξεο ζρέζεηο έξρνληαη ζε ζπκθσλία κε ηε γεληθή ζρέζε: n ( ) i( i) (4.25) i1 όπνπ π, θαη ε είλαη αληίζηνηρα ην νγθνκεηξηθό θιάζκα θαη ε ειεθηξηθή δηαπεξαηόηεηα ηνπ ζπζηαηηθνύ i. Η ζρέζε απηή εθθξάδεη ηελ ειεθηξηθή δηαπεξαηόηεηα ε ελόο ζύλζεηνπ πιηθνύ ζπλαξηήζεη ησλ νγθνκεηξηθώλ θιαζκάησλ πi ησλ ζπζηαηηθώλ ηνπ, ησλ ειεθηξηθώλ ηνπο δηαπεξαηνηήησλ εi θαη ηνπ πιήζνπο n ησλ δηειεθηξηθώλ θάζεσλ πνπ ππάξρνπλ ζην ζύλζεην πιηθό. Οη ζεκαληηθόηεξεο εθθξάζεηο πνπ έρνπλ πξνηαζεί γηα ζπλάξηεζε Φ (ε ) είλαη νη αθόινπζεο [Φαξξάο, 2004]: ( ) Beer (4.26) 3 ( ) Landau & Lifshiz (4.27) 1 ( ) 2 Lorentz & Lorentz (4.28) ( ) log Lichtenecker & Rother (4.29) 1 ( ) 2 Wiener (4.30) Η ζρέζε (4.29) ησλ Lichtenecker & Rother είλαη ν γλσζηόο ινγαξηζκηθόο λόκνο ησλ κηγκάησλ. Απνηειεί ηελ απινύζηεξε θαη πιένλ απνδεθηή ζρέζε πνπ ρξεζηκνπνηείηαη γηα ην ζρεδηαζκό δηειεθηξηθώλ κηγκάησλ, ππό ηελ πξνϋπόζεζε όηη νη δηαπεξαηόηεηεο ησλ ζπζηαηηθώλ είλαη γλσζηέο. ηα ζύλζεηα πνιπκεξηθήο κήηξαο-εγθιεηζκάησλ, ν ινγαξηζκηθόο λόκνο παίξλεη ηε κνξθή: 52

65 Κευάλαιο 4 Ηλεκτρική σσμπεριυορά σύνθετων σλικών πολσμερικής μήτρας log u log (1 u )log (4.31) c p p p m όπνπ ν δείθηεο c αλαθέξεηαη ζην ζύλζεην, ν δείθηεο m ζηε κήηξα θαη ν δείθηεο p ζην πιεξσηηθό κέζν. ηηο εμηζώζεηο (4.26) έσο (4.30), ε ειεθηξηθή δηαπεξαηόηεηα ζεσξείηαη όηη είλαη αλεμάξηεηε από ηε ζπρλόηεηα ηνπ εθαξκνδόκελνπ πεδίνπ. Απηό έρεη σο απνηέιεζκα ηελ πεξηνξηζκέλε ηζρύ ησλ παξαπάλσ εθθξάζεσλ αιιά θαη ηε κε ηθαλνπνηεηηθή πεξηγξαθή ηεο ειεθηξηθήο ζπκπεξηθνξάο ησλ ζύλζεησλ πιηθώλ. Δπηπξόζζεηα, ζηηο εμηζώζεηο (4.26) έσο (4.30)δελ έρνπλ ιεθζεί ππόςε ηα γεσκεηξηθά ραξαθηεξηζηηθά ησλ εγθιεηζκάησλ (κέγεζνο, ζρήκα). Απηό έξρεηαη ζε αληίθαζε κε ηηο πεηξακαηηθέο κεηξήζεηο, νη νπνίεο έρνπλ δείμεη όηη ππάξρεη ζεκαληηθή επίδξαζε ησλ δύν απηώλ παξαγόλησλ [Tsangaris, 1996] [Neelakanta, 1990]. Έρνπλ επίζεο πξνηαζεί θαη ζρέζεηο πνπ δελ ππαθνύνπλ ζηε γεληθή κνξθή ηεο εμίζσζεο (4.25): 3 c 1 i i2 (Boettcher) (4.32) c c I I 2 MP 2 (Odelevsky) (4.33) ην I ππνινγίδεηαη κέζσ ηεο ζρέζεο: 1 I [(3 c ) (3 P 1) ] (4.34) 4 c P M M P c (1 ) P (Βruggeman) (4.35) 53

66 Κευάλαιο 4 Ηλεκτρική σσμπεριυορά σύνθετων σλικών πολσμερικής μήτρας Η εμίζσζε Βruggeman είλαη δπλαηόλ λα απινπνηεζεί αλ ην ζύζηεκα πνπ κειεηάκε πιεξεί ηηο αθόινπζεο πξνϋπνζέζεηο: 1. Σα εγθιείζκαηα είλαη ζθαηξηθά θαη αγώγηκα. 2. Η δηαπεξαηόηεηα ησλ εγθιεηζκάησλ ηείλεη ζην άπεηξν (ζρ>>ζμ). 3. Σα εγθιείζκαηα έρνπλ πνιύ κηθξόηεξν νγθνκεηξηθό θιάζκα ζε ζρέζε κε ην νγθνκεηξηθό θιάζκα ηεο κεηξηθήο θάζεο (πξ <πμ). ηελ απινπνηεκέλε κνξθή ηεο εμίζσζε (4.36) γξάθεηαη: (1 3 ) (4.36) c M P Παξαηεξνύκε πσο ζε όιεο ηηο παξαπάλσ ζρέζεηο ε δηειεθηξηθή δηαπεξαηόηεηα ινγίδεηαη σο αλεμάξηεηε ηεο ζπρλόηεηαο ηνπ πεδίνπ, γεγνλόο πνπ πεξηνξίδεη ηελ ηζρύ ησλ εθθξάζεσλ απηώλ, θαζώο γλσξίδνπκε πσο ζηα ζύλζεηα ζπζηήκαηα παξαηεξνύληαη θαηλόκελα ειεθηξηθήο ραιάξσζεο [Hedvig, 1977]. ήκεξα ζηε βηβιηνγξαθία ππάξρνπλ δηαζέζηκα κνληέια ηα νπνία μεπεξλνύλ ην πξόβιεκα απηό [Tsangaris, 1995], [Neelakanta, 1990]. Οη εμηζώζεηο (4.31) έσο (4.34) δελ ιακβάλνπλ ππ όςηλ ην κέγεζνο θαη ηε γεσκεηξία ησλ εγθιεηζκαησλ αλ θαη απηέο νη παξάκεηξνη επεξεάδνπλ ηελ ηηκή ηεο δηαπεξαηόηεηαο ε, ελώ έλα ζύλνιν εμηζώζεσλ έρνπλ πξνηαζεί γηα YΠMΔ κε ζθαηξηθά εγθιείζκαηα : c M 3 P 1 1 P 1.65 P /3 (Rayleigh) (4.37) M c (Bottcher) (4.38) 1 3 P c M 1P 1 2 P (De Loor) (4.39) c M 1P 1 4 [Tsangaris, 1995], [Φαξξάο, 1994]. P (Van Beek) (4.40) 54

67 Κευάλαιο 4 Ηλεκτρική σσμπεριυορά σύνθετων σλικών πολσμερικής μήτρας πλνςίδνληαο, νη παξάγνληεο πνπ επεξεάδνπλ ηελ ειεθηξηθή δηαπεξαηόηεηα ελόο ζύλζεηνπ πιηθνύ (ζηαηηζηηθό κίγκα ελόο αξηζκνύ θάζεσλ ζηηο νπνίεο δελ παξαηεξείηαη ακνηβαία αιιειεπίδξαζε ησλ ζπζηαηηθώλ, ζε ζπλζήθεο ζηαζεξήο ζεξκνθξαζίαο θαη απνπζία πγξαζίαο) είλαη [Tsangaris, 1995] : Η δηαπεξαηόηεηα θαη ε εηδηθή αγσγηκόηεηα ησλ θάζεσλ ηνπ ζύλζεηνπ. Η ζπρλόηεηα ηνπ εθαξκνδόκελνπ ειεθηξηθνύ πεδίνπ. Η ζηαηηζηηθή θαηαλνκή (ηπραία ή όρη) ησλ εγθιεηζκάησλ. Σν νγθνκεηξηθό θιάζκα ηνπ εληζρπηηθνύ κέζνπ Σα γεσκεηξηθά ραξαθηεξηζηηθά ησλ εγθιεηζκάησλ. 55

68 Κεφάλαιο 5 Πειραματικό μέρος ΙΕΦΑΚΑΘΟ 5 ΠΕΘΡΑΛΑΣΘΙΟ ΛΕΡΟ 5.1 Εηζαγσγή ην θεθάιαην απηό ζα αλαθεξζνύκε ζηα πιηθά πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ γηα ηελ παξαζθεπή ησλ δνθηκίσλ, ζηνλ ηξόπν παξαζθεπήο ησλ δνθηκίσλ θαζώο επίζεο θαη ζηηο ζπλζήθεο θάησ από ηηο νπνίεο πξαγκαηνπνηήζεθε ην πεηξακαηηθό κέξνο ηεο παξνύζεο εξγαζίαο εηδίθεπζεο. Επίζεο ζα αλαθέξνπκε ηηο πεηξακαηηθέο κεζόδνπο πνπ ρξεζηκνπνηήζακε ώζηε λα ζπιιέμνπκε ηα απαξαίηεηα δεδνκέλα. 5.2 Τιηθά Πεηξάκαηνο Γηα ηελ παξαζθεπή ησλ λαλνζύλζεησλ πιηθώλ πνιπκεξηθήο κήηξαο ρξεζηκνπνηήζεθε ην επνμεηδηθό ζύζηεκα: ηεο ξεηίλεο Epoxol 2004 A θαη ηνπ ζθιεξπληή Epoxol 2004 B ηεο εηαηξείαο Neotex Greece. Σν λαλνεγθιείζκαηα πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ ήηαλ θεξακηθά ZnO θαη TiC ζε ζθόλε, από ηελ εηαηξεία Sigma Aldrich. Σν κέγεζνο ησλ ζσκαηηδίσλ ζηε θάζε ελίζρπζεο, βάζεη ηνπ πξνκεζεπηή, ήηαλ κηθξόηεξν από 0nm γηα ην ZnO θαη κηθξόηεξν από 200nm γηα ην TiC. 5.3 Δηαδηθαζία Παξαζθεπήο ησλ Δνθηκίσλ Παξαζθεπάζηεθαλ 18 δνθίκηα κε πεξηεθηηθόηεηεο πνπ παξνπζηάδνληαη ζηνλ παξαθάησ πίλαθα : Πίλαθαο 5.1 : Πεξηεθηηθόηεηεο ησλ 18 δνθηκίσλ. A/A ZnO(phr) TiC(phr) A/A ZnO(phr) TiC(phr) Όπνπ phr νξίδεηαη σο : particles per hundred resin w/w, πνπ ζεκαίλεη όηη γηα παξάδεηγκα ζηελ πεξίπησζε 3 phr, 3 gr εληζρπηηθνύ ζπζηαηηθνύ πξνζηίζεληαη ζε 0 gr ξεηίλεο + ζθιεξπληή. 56

69 Κεφάλαιο 5 Πειραματικό μέρος Σα βήκαηα πνπ αθνινπζήζεθαλ θαηά ηελ παξαζθεπή απηώλ ήηαλ ηα εμήο: ην πξώην ζηάδην ρξεζηκνπνηήζακε 4gr ξεηίλεο θαη 2gr ζθιεξπληή ηα νπνία αλαδεύζακε κε ηε ρξήζε γπάιηλεο ξάβδνπ ζε αξγό ξπζκό, γηα πεξίπνπ 12 ιεπηά. Ελ ζπλερεία ξίρλακε ηηο θαηάιιειεο πνζόηεηεο ZnO θαη TiC θαη αλαδεύακε ζε ινπηξό ππεξήρσλ έσο όηνπ ην κίγκα λα νκνγελνπνηεζεί. Οη πνζόηεηεο ησλ θάζεσλ ελίζρπζεο ήηαλ αλάινγεο κε ηελ πεξηεθηηθόηεηα ηνπ εθάζηνηε δνθηκίνπ πνπ ζέιακε λα παξαζθεπάζνπκε θαη νη ηηκέο απηέο θαίλνληαη ζηνλ Πίλαθα 5.2. Ο αξγόο ξπζκόο αλάδεπζεο θαη ζηα δύν ζηάδηα θαζώο θαη ε αλάδεπζε ζε ινπηξό ππεξήρσλ, βνεζάεη ζηελ απνθπγή δεκηνπξγίαο θπζαιίδσλ θαη ζπζζσκαησκάησλ, δειαδή ζηελ θαιύηεξε νκνγελνπνίεζε ηνπ κίγκαηνο. ην ηξίην θαηά ζεηξά ζηάδην αθνινπζνύζε έγρπζε ηνπ κίγκαηνο ζε κεηαιιηθά θαινύπηα ζηα νπνία έγηλε ρξήζε απνθνιιεηηθνύ γηα ηελ δεκηνπξγία δηεπηθάλεηαο κεηαμύ θαινππηνύ θαη δνθηκίσλ, νύησο ώζηε λα είλαη επθνιόηεξε ε απνθόιιεζε ησλ δύν επηθαλεηώλ. Σέινο, ηα δνθίκηα ζθιεξύλζεθαλ (curing) γηα κηα εβδνκάδα ζε ζεξκνθξαζία πεξηβάιινληνο θαη κεηά γηα 4 ώξεο ζηνπο 0 o C, έηζη ώζηε λα επηηεπρζεί πιήξεο πνιπκεξηζκόο θαη ζηεξενπνίεζε ησλ δνθηκίσλ. Έπεηηα αθαηξέζακε ηα δνθίκηα από ηα θαινύπηα θαη ηα ιεηάλακε ζε ηξηβείν κε ηελ ρξήζε 1200, 2400 ιεηαληηθώλ ραξηηώλ. Πίλαθαο 5.2 : Σηκέο ηεο κάδαο ησλ πνζνηήησλ ηνπ ZnO θαη TiC ηνπ θάζε δνθηκίνπ α/α Δνθίκην πεξηεθηηθόηεηαο ζε Ρεηηλε (gr) θιεξπληήο (gr) Λάδα Δνθηκίκνπ( θόλε ZnO θόλε TiC (gr) ZnO phr TiC phr gr) (gr)

70 Κεφάλαιο 5 Πειραματικό μέρος 5.4 Δηειεθηξηθόο Υαξαθηεξηζκόο Γηα ηνλ ειεθηξηθό ραξαθηεξηζκό ησλ ζύλζεησλ δεηγκάησλ επνμεηδηθήο ξεηίλεο-νμεηδίνπ ηνπ ςεπδαξγύξνπ-θαξβηδίνπ ηνπ ηηηαλίνπ ρξεζηκνπνηήζεθε ε ηερληθή ηεο δηειεθηξηθήο θαζκαηνζθνπίαο επξέσο θάζκαηνο (BDS- Broadband Dielectric Spectroscopy). Η ηερληθή απηή έρεηο ηηο ξίδεο ηεο ζηα ηέιε ηνπ δέθαηνπ έλαηνπ αηώλα, αθνύ θπζηθνί όπσο ν Lorenz θαη ν Maxwell, βνήζεζαλ ζεκαληηθά ζηελ θαηαλόεζε ησλ ειεθηξηθώλ θαη δηειεθηξηθώλ θαηλνκέλσλ. ηηο κέξεο καο ε ηερληθή ηεο δηειεθηξηθήο θαζκαηνζθνπίαο έρεη εμειηρηεί ζε ηέηνην βαζκό ώζηε λα θαιύπηεη έλα ηεξάζηην θάζκα ζπρλνηήησλ, ην νπνίν εθηείλεηαη ζε εύξνο δεθανρηώ ηάμεσλ κεγέζνπο από κhz κέρξη ΣHz. Επηπιένλ ε ηερληθή απηή εθκεηαιιεύεηαη ηελ δπλαηόηεηα ζπλδπαζκνύ δηαθνξεηηθώλ κεηξεηηθώλ δηαηάμεσλ, νη νπνίεο βαζίδνληαη ζε ηειείσο δηαθνξεηηθέο αξρέο ιεηηνπξγίαο. Λε ηε δηειεθηξηθή θαζκαηνζθνπία είλαη δπλαηόλ λα κεηξεζεί ην πξαγκαηηθό θαη ην θαληαζηηθό κέξνο ηεο ειεθηξηθήο δηαπεξαηόηεηαο, ηεο εκπέδεζεο, ηεο αγσγηκόηεηαο όπσο θαη άιια κεγέζε σο ζπλάξηεζε ηεο ζπρλόηεηαο, ηεο εθαξκνδόκελεο ηάζεο θαη ηεο ζεξκνθξαζίαο. Η δηειεθηξηθή θαζκαηνζθνπία είλαη ηδηαίηεξα επαίζζεηε ζηελ αλίρλεπζε ηεο ειεθηξηθήο ζπκπεξηθνξάο δηπόισλ θαη εληνπηζκέλσλ θνξηίσλ, κέζα ζε έλα πιηθό θαη πξνζδηνξίδεη ηελ θηλεηηθή ηνπο θαη ηηο αιιειεπηδξάζεηο ηνπο. Γηα ην ιόγν απηό ε δηειεθηξηθή θαζκαηνζθνπία απνηειεί έλα πνιύηηκν εξγαιείν γηα ηνλ ειεθηξηθό ραξαθηεξηζκό κε αγώγηκσλ ή εκηαγώγηκσλ πιηθώλ. ηελ παξνύζα εξγαζία, γηα ηνλ ειεθηξηθό ραξαθηεξηζκό ησλ δεηγκάησλ, εθαξκόζηεθε ε κέζνδνο ηεο δηειεθηξηθήο θαζκαηνζθνπίαο επξέσο θάζκαηνο ζε έλα εύξνο ζπρλνηήησλ από -1 Hz έσο 7 Hz, κε ρξήζε ηεο ειεθηξηθήο γέθπξαο Alpha-N Analyzer (High resolution dielectric analyzer) ηεο εηαηξείαο Novocontrol. Ωο θπςειίδα κεηξήζεσλ γηα ηα δνθίκηα ρξεζηκνπνηήζεθε ε BDS 1200 θαη γηα ηελ ζθόλε ZnO ρξεζηκνπνηήζεθε ε BDS 1308 ηεο ίδηαο εηαηξείαο. Γηα θάζε εμεηαδόκελν δείγκα έιαβαλ ρώξα ηζόζεξκεο ζαξώζεηο ζπρλνηήησλ. Σν εύξνο ησλ ζεξκνθξαζηώλ ζην νπνίν εμεηάζηεθαλ ηα δείγκαηα ήηαλ από 30 ν C έσο 160 ν C κε ζεξκνθξαζηαθό βήκα 5 ν C. Η ζεξκνθξαζία ειέγρεηαη από ην ζύζηεκα Novotherm ηεο εηαηξείαο Novocontrol κε αθξίβεηα 0.1 ν C. Όιε ε δηάηαμε είλαη ζπλδεδεκέλε κε ειεθηξνληθό ππνινγηζηή γηα ηαπηόρξνλν έιεγρν θαη απνζήθεπζε ησλ δεδνκέλσλ. ηε δηάηαμε πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε ζηελ παξνύζα εξγαζία ην ππό κειέηε δείγκα ηνπνζεηείηαη αλάκεζα ζε δπν κεηαιιηθά ειεθηξόδηα κε επίζηξσζε ρξπζνύ, ζρεκαηίδνληαο έηζη έλαλ ππθλσηή κε ην δείγκα ζε ξόιν δηειεθηξηθνύ. ηε ζπλέρεηα παξνπζηάδνληαη νη ιεπηνκέξεηεο ηεο πεηξακαηηθήο δηάηαμεο, θαζώο θαη νη ζπλζήθεο θάησ από ηηο νπνίεο ειήθζεζαλ νη κεηξήζεηο. 58

71 Κεφάλαιο 5 Πειραματικό μέρος ηλεκτρόδια δείγμα ρήκα 5.1: Δηάγξακκα ηεο πεηξακαηηθήο δηάηαμεο ηεο δηειεθηξηθήο θαζκαηνζθνπίαο. Ηιεθηξηθή γέθπξα Alpha-N Analyzer (High resolution dielectric analyzer) Η γέθπξα ελαιιαζζόκελνπ Alpha-N επηηξέπεη ηε κειέηε ηεο δηειεθηξηθήο ζπκπεξηθνξάο πιηθώλ ζε ζπρλόηεηεο από -6 Hz κέρξη 20MHz θαη ζπλίζηαηαη γηα πιηθά κε κηθξέο δηειεθηξηθέο απώιεηεο ζε κεγάιν εύξνο ζπρλνηήησλ. Οη πξσηνγελείο κεηξήζεηο ηνπ Alpha-N είλαη ε ηάζε Vo, ην ξεύκα Io θαη ε κεηαμύ ηνπο δηαθνξά θάζεο. Από ηηο πξσηνγελείο κεηξήζεηο ππνινγίδνληαη ην πξαγκαηηθό θαη ην θαληαζηηθό κέξνο ηεο εκπέδεζεο, ηεο ειεθηξηθήο δηαπεξαηόηεηαο, ηεο αγσγηκόηεηαο θαη ηνπ ειεθηξηθνύ κέηξνπ. πγθεθξηκέλα, ν Alpha-N απνηειείηαη από κία πεγή ελαιιαζζόκελνπ ξεύκαηνο θαη δύν θαλάιηα. Η πεγή ελαιιαζζόκελνπ παξέρεη ηάζε 0-3 Vrms. Οη ππνδνρέο, sample Hi θαη sample Lo, είλαη ζπλδεδεκέλεο κε ηελ πεγή θαη ρξεζηκνπνηνύληαη γηα ηελ εθαξκνγή ηεο ηάζεο ζην πάλσ θαη θάησ ειεθηξόδην ηνπ δείγκαηνο. Η ππνδνρή V1 (θαλάιη 1) κεηξάεη ηελ ηάζε πνπ εθαξκόδεηαη ζην δείγκα. Η ππνδνρή V2 (θαλάιη 2) είλαη ζπλδεδεκέλε κε ηελ ππνδνρή εμόδνπ ξεύκαηνο, ώζηε λα κεηξάεη ηελ απόθξηζε ηνπ δείγκαηνο. Όιεο νη ζπλδέζεηο πξαγκαηνπνηνύληαη κε θαιώδηα BNC ηα νπνία δελ επεξεάδνπλ ηελ ρσξεηηθή ζπκπεξηθνξά ηνπ δείγκαηνο. Ιπςειίδα δηειεθηξηθώλ κεηξήζεσλ Γηα ηελ πξαγκαηνπνίεζε ησλ δηειεθηξηθώλ κεηξήζεσλ ην δείγκα ηνπνζεηείηαη αλάκεζα ζε δύν ειεθηξόδηα ρξπζνύ ζρεκαηίδνληαο έηζη κία δνκή sandwich (κέηαιιν- δηειεθηξηθό- κέηαιιν) όπσο θαίλεηαη ζηα ζρήκαηα 5.2 θαη 5.3. Η θπςειίδα δηειεθηξηθώλ κεηξήζεσλ (ρήκα 5.2) είλαη ηνπνζεηεκέλε κέζα ζε κία δηάηαμε Novotherm γηα ηνλ άκεζν έιεγρν ηεο ζεξκνθξαζίαο ηνπ δείγκαηνο. Ο αηζζεηήξαο ηεο ζεξκνθξαζίαο βξίζθεηαη ζην θάησ ειεθηξόδην ηεο θπςειίδαο. Λέζα ζηελ θπςειίδα είλαη ηνπνζεηεκέλνο ν ππθλσηήο, ν νπνίνο απνηειείηαη από κηα δηάηαμε κε ην δείγκα ηνπνζεηεκέλν αλάκεζα ζε δύν κεηαιιηθά ειεθηξόδηα κε επίζηξσζε ρξπζνύ. 59

72 Κεφάλαιο 5 Πειραματικό μέρος ρήκα 5.2 : Η θπςειίδα BDS ρήκα 5.3 : Σν δείγκα ηνπνζεηεκέλν αλάκεζα ζηα δύν κεηαιιηθά ειεθηξόδηα κε επίζηξσζε ρξπζνύ. Η απόζηαζε κεηαμύ ησλ δύν ειεθηξνδίσλ θαζνξίδεηαη από ην πάρνο ησλ δεηγκάησλ. Σα ειεθηξόδηα είλαη ηεο εηαηξείαο Novocontrol θαη είλαη δηαζέζηκα ζε δηακέηξνπο από mm έσο 40mm. ηελ εξγαζία απηή ρξεζηκνπνηήζεθαλ ειεθηξόδηα ρξπζνύ δηακέηξνπ 20mm, δειαδή ην εκβαδόλ ησλ νπιηζκώλ ησλ ππθλσηώλ πνπ κεηξήζεθαλ είλαη ίζν κε πd 2 /4=314.2mm 2. Μα ζεκεησζεί όηη ε επηθάλεηα ησλ δεηγκάησλ πξέπεη λα είλαη όζν ην δπλαηόλ επίπεδε, ώζηε λα επηηπγράλεηαη ε βέιηηζηε επαθή κε ηα ειεθηξόδηα ρξπζνύ. Γηα ην ζθνπό απηό, θαηά ηελ δηαδηθαζία παξαζθεπήο ησλ δεηγκάησλ, ην ζηάδην ηεο ιείαλζεο ηεο επηθάλεηαο, πξαγκαηνπνηήζεθε κε ηδηαίηεξε πξνζνρή. Η θαθή επαθή ησλ δεηγκάησλ κε ηα ειεθηξόδηα απνηειεί ηελ ζπρλόηεξε πεγή ζθαικάησλ θαηά ηηο δηειεθηξηθέο κεηξήζεηο. ε απηήλ ηελ πεξίπησζε κόλν έλα κέξνο ηνπ δείγκαηνο είλαη ζε επαθή κε ηα ειεθηξόδηα, κε απνηέιεζκα λα παξαηεξνύληαη γεληθά κεησκέλεο ηηκέο γηα ηελ ειεθηξηθή δηαπεξαηόηεηα. Ο ππθλσηήο (δηάηαμε ηνπ ζρήκαηνο 5.3) ηνπνζεηείηαη αλάκεζα ζηα δύν ειεθηξόδηα ηεο θπςειίδαο δηειεθηξηθώλ κεηξήζεσλ, όπσο θαίλεηαη ζην ρήκα 5.2. Ο αηζζεηήξαο ηεο ζεξκνθξαζίαο βξίζθεηαη ζην θάησ ειεθηξόδην ηεο θπςειίδαο. 60

73 Κεφάλαιο 5 Πειραματικό μέρος ύζηεκα θαηαγξαθήο θαη αλάιπζεο πεηξακαηηθώλ δεδνκέλσλ Ο έιεγρνο θαη ε επεμεξγαζία ησλ κεηξήζεσλ έγηλαλ κε ρξήζε ειεθηξνληθνύ ππνινγηζηή εθνδηαζκέλνπ κε θαηάιιειν ινγηζκηθό. Σα πξνγξάκκαηα πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ ζηελ εξγαζία απηή ήηαλ ην WinDETA θαη ην WinFIT. Η ρξήζε ηνπ πξνγξάκκαηνο WinDETA επηηξέπεη ηνλ έιεγρν ηεο δηάηαμεο, ηελ επεμεξγαζία ησλ δηειεθηξηθώλ κεηξήζεσλ θαζώο θαη ηε δηδηάζηαηε. Σν πξόγξακκα WinFIT παξέρεη ηε δπλαηόηεηα πεξαηηέξσ επεμεξγαζίαο-αλάιπζεο ησλ απνηειεζκάησλ κε ρξήζε κε γξακκηθώλ κεζόδσλ πξνζνκνίσζεο ησλ δηεξγαζηώλ ραιάξσζεο θαη ηελ ηξηζδηάζηαηε γξαθηθή απεηθόλεζε. 5.5 Ογθνκεηξηθά Ιιάζκαηα Σν νγθνκεηξηθό θιάζκα (volume fraction) ελόο ζπλζέηνπ πιηθνύ πξνζδηνξίδεηαη από ηελ αθόινπζε ζρέζε : vol _ fr V V ZnOTiC (5.1) COM όπνπ VZnO TiC αληηπξνζσπεύεη ηνλ όγθν ηνπ εληζρπηηθνύ κέζνπ, ην νπνίν ζηελ πξνθεηκέλε πεξίπησζε είλαη ην ZnO + TηC θαη ην V COM ηνλ αληίζηνηρν ηνπ ζπλζέηνπ δνθηκίνπ. Γλσξίδνληαο από ηε βηβιηνγξαθία θαη ην ηερληθό δειηίν ηνπ πξνκεζεπηή ηελ ππθλόηεηα ησλ ZnO θαη TiC πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε ( 3 3 5,606 gr / cm θαη 4,93gr / cm ) θαη ηηο δηαζηάζεηο θαη ηελ κάδα ZnO TiC ηνπ θάζε δνθηκίνπ, πξνθύπηνπλ ηα νγθνκεηξηθά θιάζκαηα ησλ ζπζηεκάησλ πνπ εμεηάζζεθαλ. Οη ηηκέο θαηαρσξνύληαη ζηνπο πίλαθεο 5.3 θαη

74 Κεφάλαιο 5 Πειραματικό μέρος Πίλαθαο 5.3 : Δίλνληαη νη ηηκέο ηεο κάδαο (m), ηεο αθηίλαο (r), ηνπ πάρνπο (d), ηνπ όγθνπ (V) θαη ηεο ππθλόηεηαο (ξ) γηα θάζε δνθίκην. ZnO TiC m(g) r(cm) dπαρνο(cm) V(cm 3 ) ξ(g/cm 3 ) Πίλαθαο 5.4 : Δίλνληαη νη ηηκέο γηα ηα νγθνκεηξηθά θιάζκαηα γηα θάζε δνθίκην. α/α ZnO TiC V ZnO (cm 3 ) V TiC (cm 3 ) VZnO TiC (cm 3 ) V COM (cm 3 ) Vol_fr( %)

75 Κεφάλαιο 5 Πειραματικό μέρος Πίλαθαο 5.5 : Αθξίβεηα νξγάλσλ πζθεπέο Δηάηαμε ειέγρνπ ζεξκνθξαζίαο Novotherm Ηιεθηξνληθό Δηαζηεκόκεηξν Αλαιπηηθόο Ζπγόο Αθξίβεηα 0.1 C 0.005mm gr 5.6 Δηαθνξηθή Θεξκηδνκεηξία άξσζεο (Differential Scanning Calorimetry, DSC) Λε ηηο ηερληθέο ζεξκηθήο αλάιπζεο κειεηάηαη ε ζπκπεξηθνξά δηαθόξσλ πιηθώλ ζπλαξηήζεη ηεο ζεξκνθξαζίαο. Οη ηδηόηεηεο πνπ κειεηώληαη κπνξνύλ λα παξνπζηάδνπλ απόηνκεο κεηαβνιέο κε ηε ζεξκνθξαζία, όπσο γηα παξάδεηγκα ζε αιιαγέο θάζεο. Οη ηερληθέο ζεξκηθήο αλάιπζεο είλαη θπξίσο ηερληθέο ραξαθηεξηζκνύ πιηθώλ θαη θπζηθώλ κεηξήζεσλ θαη όρη ηερληθέο ρεκηθήο αλάιπζεο. Έλαληη άιισλ ηερληθώλ αλάιπζεο, ραξαθηεξίδνληαη από ηα εμήο γλσξίζκαηα θαη πιενλεθηήκαηα: Είλαη ζρεηηθά απιέο σο πξνο ηηο πεηξακαηηθέο δηαηάμεηο πνπ ρξεζηκνπνηνύλ θαη ηηο κεζόδνπο αλάιπζεο ησλ πεηξακαηηθώλ δεδνκέλσλ. Λπνξνύλ λα ρξεζηκνπνηεζνύλ ζε επξεία πεξηνρή ζεξκνθξαζηώλ θαη κε δηάθνξα πξνγξάκκαηα κεηαβνιήο ηεο ζεξκνθξαζίαο (ζέξκαλζε ςύμε, κεηαβάιινληαο ηε ζεξκνθξαζία κε ζηαζεξό ξπζκό ή βεκαηηθώο). Οη ξπζκνί ζέξκαλζεο πνπ κπνξνύλ λα επηηεπρζνύλ είλαη πεξίπνπ Ι/min. Δελ ππάξρεη πεξηνξηζκόο σο πξνο ηε θπζηθή κνξθή ηνπ δνθηκίνπ ή ην ζρήκα ηνπ. Δελ απαηηείηαη κεγάιε πνζόηεηα δνθηκίνπ (~ 0.1- mg). H αηκόζθαηξα ησλ κεηξήζεσλ επηιέγεηαη θαη κπνξεί λα κεηαβιεζεί εύθνια. Ο ρξόλνο πνπ απαηηείηαη γηα ηελ νινθιήξσζε κίαο κέηξεζεο εμαξηάηαη από ην πξόγξακκα κεηαβνιήο ηεο ζεξκνθξαζίαο θαη πνηθίιιεη από κεξηθά ιεπηά έσο αξθεηέο ώξεο. Σν βαζηθό κεηνλέθηεκα απηώλ ησλ ηερληθώλ είλαη όηη νη πιεξνθνξίεο πνπ πξνθύπηνπλ από ηελ αλάιπζε ησλ κεηξήζεσλ αθνξνύλ καθξνζθνπηθά κεγέζε, ζε αληηδηαζηνιή κε άιιεο θαζκαηνζθνπηθέο ηερληθέο, από ηηο νπνίεο πξνθύπηνπλ πιεξνθνξίεο ζε κνξηαθό επίπεδν. Επίζεο, νη πιεξνθνξίεο απηέο δελ αλαθέξνληαη ζε θαηάζηαζε ζεξκνδπλακηθήο ηζνξξνπίαο [Φξαγθηαδάθεο, 2006]. 63

76 Κεφάλαιο 5 Πειραματικό μέρος Οη ηερληθέο ζεξκηθήο αλάιπζεο ρξεζηκνπνηνύληαη επξύηαηα σο εξγαιείν ραξαθηεξηζκνύ θαη κειέηεο ησλ ηδηνηήησλ ησλ πιηθώλ, ηόζν γηα ζθνπνύο βαζηθήο έξεπλαο, όζν θαη ζε εθαξκνγέο βηνκεραληθήο θιίκαθαο. ηελ παξνύζα κειέηε εθαξκόδεηαη ε κέζνδνο ηεο Δηαθνξηθήο Θεξκηδνκεηξίαο άξσζεο (Differential Scanning Calorimetry - DSC). Η δηάηαμε DSC κειεηά ηε ζεξκόηεηα πνπ απνξξνθάηαη ή εθιύεηαη από ην δείγκα ηνπ πνιπκεξνύο θαηά ηε ζέξκαλζε ή ςύμε, ζε κία επηιεγκέλε πεξηνρή ζεξκνθξαζηώλ. Σν δηαθνξηθό ζεξκηδόκεηξν έρεη ηε δπλαηόηεηα λα κεηξά ηηο ηηκέο ηεο ελζαιπίαο, κέζσ ηεο δηαθνξηθήο ξνήο ζεξκόηεηνο πνπ απαηηείηαη, θαηά ηελ αιιαγή θάζεο ή θαηά ηε δηάξθεηα κηαο ρεκηθήο αληίδξαζεο πνπ ζπκβαίλεη ζην πιηθό, ώζηε απηό λα δηαηεξήζεη ζηαζεξή ηε ζεξκνθξαζία ηνπ. Απηό επηηπγράλεηαη ηνπνζεηώληαο ζε δύν ζεξκαηλόκελνπο ππνδνρείο, ζθξαγηζκέλα θαςίδηα αινπκηλίνπ, από ηα νπνία ην έλα πεξηέρεη ην δείγκα πνιπκεξνύο θαη ην άιιν είλαη θελό (δνθίκην αλαθνξάο). Λε ηε ρξήζε ηνπ θαςηδίνπ επηηπγράλεηαη θαιή ζεξκηθή επαθή κε ηελ πεγή παξνρήο ηζρύνο θαη ηνπο αηζζεηήξεο ειέγρνπ ηνπ ζπζηήκαηνο. ρήκα 5.4: Απινπνηεκέλε δηάηαμε DSC. ην πεξηβάιινλ ησλ ππνδνρέσλ δεκηνπξγείηαη αδξαλήο αηκόζθαηξα κε ξνή αδώηνπ θαη ν ζεξκηθόο ειεγθηήο (ππνινγηζηήο) αξρίδεη λα ζεξκαίλεη ηνπο ππνδνρείο κε πξνθαζνξηζκέλν ζηαζεξό ξπζκό. Η ζεξκνθξαζία ζηνπο δύν ππνδνρείο δηαηεξείηαη ίζε κε κεγάιε αθξίβεηα, κε ηε βνήζεηα ζεξκνδεπγώλ. Η θξίζηκε ιεηηνπξγία ηνπ ζεξκηθνύ ειεγθηή είλαη ε εμαζθάιηζε ηεο ίδηαο ζεξκνθξαζίαο ησλ δύν ρσξηζηώλ θαςηδίσλ κε ηνπο δύν ρσξηζηνύο ζεξκαηλόκελνπο ππνδνρείο ηνπο. Σα δύν θαςίδηα είλαη δηαθνξεηηθά ιόγσ ηνπ δηαθνξεηηθνύ πεξηερνκέλνπ ηνπο θαη επνκέλσο ην θαςίδην κε ην δείγκα απαηηεί πεξηζζόηεξε ή ιηγόηεξε ζεξκόηεηα γηα λα θξαηήζεη ην ξπζκό αύμεζεο ηεο ζεξκνθξαζίαο ηνπ, αθξηβώο ίζν κε ηνλ αληίζηνηρν ξπζκό ζην θαςίδην αλαθνξάο. ε έλα πείξακα DSC κεηξάηαη ε πεξίζζεηα ξνή ζεξκόηεηαο, πνπ απαηηεί ν ππνδνρέαο κε ην ππό κειέηε δνθίκην, ζε ζρέζε κε ηνλ ππνδνρέα αλαθνξάο. Σειηθώο, από ηε δηάηαμε DSC ιακβάλεηαη έλα δηάγξακκα ηεο ξνήο ζεξκόηεηαο (ηζρύνο) σο πξνο ηε ζεξκνθξαζία 64

77 Κεφάλαιο 5 Πειραματικό μέρος ρήκα 5.5 : Σππηθό δηάγξακκα DSC ελόο πνιπκεξνύο κε θξπζηαιιηθέο θαη άκνξθεο πεξηνρέο. Απεηθνλίδεηαη ε ξνή ζεξκόηεηαο ζπλαξηήζεη ηεο ζεξκνθξαζίαο θαη θαίλνληαη ηξεηο δηαθνξεηηθέο κεηαπηώζεηο (α) παιώδεο κεηάβαζε ζε ζεξκνθξαζία Tg (πεξηνρή i) (β) ςπρξή θξπζηάιισζε ζε ζεξκνθξαζία Tc (πεξηνρή ii) θαη (γ) ηήμε ζηε ζεξκνθξαζία Tm (πεξηνρή iii) [Παλαγίσηνπ, 2000] ρήκα 5.6: Ταιώδεο κεηάβαζε πνιπκεξνύο. Λέζνδνο ππνινγηζκνύ ηεο Σg [Πίζζεο,2002]. Επεηδή νη δύν θπςειίδεο πεξηέρνπλ δηαθνξεηηθό πιηθό, ην ζεξκαληηθό ζηνηρείν πνπ αληηζηνηρεί ζηελ θπςειίδα ηνπ δείγκαηνο κεηαβάιιεη ηε ξνή H1 ζεξκόηεηαο 1 πξνο ην δείγκα πξνθεηκέλνπ απηό λα έρεη ζπλερώο ηελ ίδηα t ζεξκνθξαζία κε ηελ θπςειίδα αλαθνξάο. Οη δηαθνξέο ησλ ηηκώλ ξνήο ζεξκόηεηαο ΔΦ κεηαμύ ηεο θπςειίδαοδείγκαηνο θαη ηεο θπςειίδαο αλαθνξάο (Φ1 θαη Φ2 αληίζηνηρα) κεηξώληαη κε ηε βνήζεηα επαίζζεησλ ζεξκηδνκέηξσλ. Σειηθά, θαηαγξάθεηαη ε ξνή ζεξκόηεηαο ΔΦ 65

78 Κεφάλαιο 5 Πειραματικό μέρος σο ζπλάξηεζε ηνπ ρξόλνπ. Σα δείγκαηα πνπ κειεηώληαη κε ηε δηαθνξηθή ζεξκηδνκεηξία ζάξσζεο κπνξεί λα είλαη θαη πηεηηθά ή λα πξνθαινύλ κε ηε ζέξκαλζε έθιπζε πηεηηθώλ πξντόλησλ. ηελ πεξίπησζε απηή, ηα δείγκαηα ηνπνζεηνύληαη ζε αεξνζηεγώο θιεηζηά εηδηθά θαςίδηα. ηα πεξηζζόηεξα όξγαλα ηνπ εκπνξίνπ νη ζεξκνθξαζίεο πνπ επηηπγράλνληαη εθηείλνληαη από ηνπο 0 ν C, κέρξη ηνπο 600 ν C. Η ζεξκηθή κειέηε ησλ δεηγκάησλ κέζσ ηεο ηερληθήο ηεο δηαθνξηθήο ζεξκηδνκεηξίαο ζάξσζεο (DSC), έγηλε κε ηε ρξήζε ηεο ζπζθεπήο DSC TA Instruments Q200 κε ξπζκό ζέξκαλζεο ν C/min. Λε ηε βνήζεηα εηδηθνύ ινγηζκηθνύ, πξνγξακκαηίζζεθε ε ζεξκηθή θαηεξγαζία πνπ ζέιακε λα ππνζηνύλ ηα ππό κειέηε δείγκαηα γηα λα ραξαθηεξίζνπκε ηηο ζεξκηθέο κεηαβάζεηο πνπ παξνπζηάδνληαη. Η ζεξκηθή κειέηε ησλ δεηγκάησλ κέζσ ηεο ηερληθήο ηεο δηαθνξηθήο ζεξκηδνκεηξίαο ζάξσζεο (DSC), έγηλε κε ηε ρξήζε ηεο ζπζθεπήο Q200 ηεο εηαηξίαο ΣΑ instruments θαη κε ηε βνήζεηα ηνπ ινγηζκηθνύ Platinum πνπ ηε ζπλνδεύεη. Παξαθάησ παξνπζηάδνληαη ηα βήκαηα πνπ αθνινπζήζεθαλ θαηά ηελ πεηξακαηηθή κειέηε κε ηε ηερληθή DSC : Ινπή ηνπ ππό κειέηε δείγκαηνο, ζε θαηάιιειεο ζπλζήθεο κε ηε ρξήζε ιαβίδαο θαη ςαιηδηνύ. Ζύγηζκα ηνπ δείγκαηνο, ζηνλ αλαιπηηθό δπγό Σνπνζέηεζε ησλ δεηγκάησλ ζε εηδηθό θαςίδην θαη ζθξάγηζκα ηνπ ζηελ πξέζα. Σν θαςίδην θαη ην δείγκα θηηάρλνληαη ώζηε λα πξνζθέξνπλ ηε κέγηζηε ζεξκηθή επαθή αλάκεζα ζην δείγκα θαη ην θαςίδην. Έλα επίπεδν δείγκα επηηξέπεη θαιύηεξε ζεξκηθή επαθή κε ην θαςίδην. Σνπνζέηεζε ησλ θαςηδίσλ ζηελ πεηξακαηηθή δηάηαμε θαη ξύζκηζε ησλ παξακέηξσλ κέζσ ηνπ ινγηζκηθνύ[φξαγθηαδάθεο, 2006],[ηαζόπνπινο, 2005], [Πένγινο,2004], [Πίζζεο,2002]. 66

79 Κεφάλαιο 5 Πειραματικό μέρος ρήκα 5.7 : α) Εηδηθή πξέζα γηα ην ζθξάγηζκα ηνπ θαςηδίνπ. β) Αλαιπηηθόο δπγόο. Εηθόλα 5.8 : TA Instruments Q200 DSC. ηα ππό κειέηε δείγκαηα αθνινπζήζεθε ζέξκαλζε από ηνπο 0 ν C έσο ηνπο 200 ν C κε ξπζκό ζέξκαλζεο ν C/min. 67

80 Κεφάλαιο 5 Πειραματικό μέρος 5.7 Λνξθνινγηθόο ραξαθηεξηζκόο Ηιεθηξνληθή Ληθξνζθνπία άξσζεο (Scanning Electron Microscopy, SEM) Η Ηιεθηξνληθή Ληθξνζθνπία άξσζεο (Scanning Electron Microscopy) (SEM) είλαη κία ηερληθή κε ηελ νπνία κπνξνύκε λα έρνπκε ιεπηνκεξεηαθή γλώζε ηεο κνξθνινγίαο ησλ επηθαλεηώλ ησλ ζηεξεώλ [Czichos, 2006]. Η αξρή ιεηηνπξγίαο βαζίδεηαη ζηελ εμέηαζε κίαο επηθάλεηαο, κε παιηλδξνκηθή ζάξσζε κε κία εμαηξεηηθά εζηηαζκέλε δέζκε ειεθηξνλίσλ ή κε έλα θαηάιιειν δεηγκαηνιήπηε αληρλεπηή θαη ιεηηνπξγεί κε ηνλ εμήο ηξόπν. Λία δέζκε ειεθηξνλίσλ : αξώλεη κία επηθάλεηα ζε επζεία γξακκή (ηε δηεύζπλζε ρ), Επηζηξέθεη ζηελ αξρηθή ηνπ ζέζε θαη Λεηαηνπίδεηαη πξνο ηα θάησ θαηά έλα ζηαζεξό δηάζηεκα. Η δηαδηθαζία απηή επαλαιακβάλεηαη έσο όηνπ ζαξσζεί ε επηζπκεηή πεξηνρή ηεο επηθάλεηαο. Ιαηά ηε δηάξθεηα ηεο δηαδηθαζίαο ηεο ζάξσζεο, ιακβάλεηαη ζήκα πνπ αληηζηνηρεί ζην δεδνκέλν ζεκείν ηεο επηθάλεηαο θαη απνζεθεύεηαη ζηνλ ππνινγηζηή, όπνπ ηειηθά κεηαηξέπεηαη ζε εηθόλα. Η ιεηηνπξγία ηνπ SEM ζηεξίδεηαη ζηηο αιιειεπηδξάζεηο ηνπ πξνο εμέηαζε δείγκαηνο θαη ηεο πξνζπίπηνπζαο ζε απηό δέζκεο ειεθηξνλίσλ. Οη βαζηθέο δηαηάμεηο πνπ ππάξρνπλ ζην κηθξνζθόπην είλαη ην ζύζηεκα παξαγσγήο δέζκεο ειεθηξνλίσλ, ην ζύζηεκα θαηεύζπλζεο ηεο δέζκεο, ην ζύζηεκα πιεξνθνξηώλ θαη ηέινο ην ζύζηεκα θελνύ. Σα βαζηθά ζηάδηα ιεηηνπξγίαο ελόο ειεθηξνληθνύ κηθξνζθνπίνπ είλαη: 1. ρεκαηηζκόο δέζκεο ειεθηξνλίσλ από ηελ πεγή ε νπνία επηηαρύλεηαη πξνο ην δείγκα κέζσ ελόο ζεηηθνύ ειεθηξηθνύ δπλακηθνύ 2. Υξεζηκνπνηώληαο ειεθηξνκαγλεηηθνύο θαθνύο θαη πελία ζάξσζεο, επηηπγράλεηαη κηά ιεπηή εζηηαζκέλε κνλνρξσκαηηθή δέζκε ε νπνία ζαξώλεη ηελ επηθάλεηα ηνπ δείγκαηνο 3. Οη αιιειεπηδξάζεηο δέζκεο δείγκαηνο θαηαγξάθνληαη από ηνπο αληρλεπηέο θαη κεηαηξέπνληαη ζε εηθόλα. 68

81 Κεφάλαιο 5 Πειραματικό μέρος ρήκα 5.9 : ρεκαηηθή αλαπαξάζηαζε ηνπ ειεθηξνληθνύ κηθξνζθνπίνπ ζάξσζεο(sem). [ Σν ειεθηξνληθό κηθξνζθόπην ζάξσζεο ρξεζηκνπνηείηαη επξύηαηα ζε όια ηα πεδία πνπ καο ελδηαθέξεη ε γεσκεηξία θαη ε ζύζηαζε ηεο κηθξνδνκήο. Η κεγάιε δπλαηόηεηα εζηίαζεο θαη αιιαγήο κεγέζπλζεο ζε έλα επξύ πεδίν, ε ειάρηζηε πξνεηνηκαζία ηνπ δείγκαηνο, ηα ηξηζδηάζηαηα δηαγξάκκαηα πνπ πξνζθέξεη ην SEM θαη γεληθόηεξα νη ρξήζηκεο πιεξνθνξίεο πνπ πξνζθέξεη ην έρνπλ θάλεη έλα απαξαίηεην εξγαιείν έξεπλαο. Λε ην ειεθηξνληθό κηθξνζθόπην ζάξσζεο παίξλνπκε πνζνηηθέο αλαιύζεηο κε ιεπηνκεξείο γεσκεηξηθέο πιεξνθνξίεο δίλνληαο έηζη ηε δπλαηόηεηα ζηνλ εξεπλεηή λα δηαθξίλεη ηηο δηαθνξεηηθέο θάζεηο. Η βαζηθή αξρή ηεο Ηιεθηξνληθήο Ληθξνζθνπίαο άξσζεο (Scanning Electron Microscopy-SEM) θαηαγξάθεθε γηα πξώηε θνξά ην 1935, σζηόζν ρξεζηκνπνηήζεθε πξαθηηθά ην Σν 1935 θαηαζθεπάζηεθε ην πξώην STEM (Scanning Transmission Electron Microscopy) θαη TEM (Transmission Electron Microscopy) ελώ ην πξώην SEM θαηαζθεπάζηεθε ζηηο αξρέο ηνπ 1950 [Ινπινύξε, 2002]. Οη εηθόλεο ησλ δνθηκίσλ ειήθζεζαλ κέζσ ηνπ ζπζηήκαηνο EVO MA ηεο εηαηξίαο ZEISS πνπ βξίζθεηαη εγθαηεζηεκέλν ζην εξγαζηήξην ηνπ ηκήκαηνο Επηζηήκεο ησλ Τιηθώλ. 69

82 Κευάλαιο 6 Πειραματικά αποτελέσματα ΙΕΦΑΚΑΘΟ 6 ΠΕΘΡΑΛΑΣΘΙΑ ΑΠΟΣΕΚΕΛΑΣΑ 6.1 Λνξθνινγηθόο Υαξαθηεξηζκόο Η επηηπρήο παξαζθεπή ησλ λαλνζπλζέησλ πξνθύπηεη από ηηο εηθόλεο SEM πνπ αθνινπζνύλ. Η δηαζπνξά ησλ λαλνεγθιεηζκάησλ κπνξεί λα ραξαθηεξηζζεί σο ηθαλνπνηεηηθή κηα πνπ έρεη απνθεπρζεί ε δεκηνπξγία πνιύ κεγάισλ ζπζζσκαησκάησλ. Πάλησο λαλνδηαζπνξέο θαη ζπζζσκαηώκαηα εγθιεηζκάησλ αληρλεύνληαη ζε όια ηα λαλνζύλζεηα θαη θαίλεηαη λα απμάλνπλ θαζώο απμάλεηαη ε πεξηεθηηθόηεηα ζε λαλνζσκαηίδηα ZnO θαη TiC. Η επηηπρήο δηαζπνξά ησλ εγθιεηζκάησλ θαη ε απνθπγή κεγάισλ ζπζζσκαησκάησλ είλαη δύν παξάγνληεο πνπ επηδξνύλ ζηα δηεπηθαλεηαθά θαηλόκελα πνπ εθδειώλνληαη ζηα ππό κειέηε λαλνζπζηήκαηα θαη βειηηώλνπλ ηελ απνδνζή ηνπο. ηε ζπλέρεηα παξνπζηάδνληαη κηθξνθσηνγξαθίεο SEM ζε δπν δηαθνξεηηθέο κεγεζύλζεηο γηα θάζε λαλνζύλζεην δνθίκην. Υσξίδνληαη ζε κία ρακειήο κεγέζπλζεο ησλ κm θαη κία πςειήο κεγέζπλζεο ζηελ θιηκαθα ησλ nm κεγέζπλζε. ρήκα 6.1: Ληθξνθσηνγξαθίεο SEM ηνπ ζύλζεηνπ κε πεξηεθηηθόηεηα 3 phr nano- ZnO. 70

83 Κευάλαιο 6 Πειραματικά αποτελέσματα ρήκα 6.2: Ληθξνθσηνγξαθίεο SEM ηνπ ζύλζεηνπ κε πεξηεθηηθόηεηα 5 phr nano- ZnO.. ρήκα 6.3: Ληθξνθσηνγξαθίεο SEM ηνπ ζύλζεηνπ κε πεξηεθηηθόηεηα 7 phr nano- ZnO. ρήκα 6.4: Ληθξνθσηνγξαθίεο SEM ηνπ ζύλζεηνπ κε πεξηεθηηθόηεηα phr nano- ZnO. 71

84 Κευάλαιο 6 Πειραματικά αποτελέσματα ρήκα 6.5: Ληθξνθσηνγξαθίεο SEM ηνπ ζύλζεηνπ κε πεξηεθηηθόηεηα 12 phr nano- ZnO. ρήκα 6.6: Ληθξνθσηνγξαθία SEM ηνπ ζύλζεηνπ κε πεξηεθηηθόηεηα 3 phr nano- ZnO θαη 3 phr nano- TiC. ρήκα 6.7: Ληθξνθσηνγξαθία SEM ηνπ ζύλζεηνπ κε πεξηεθηηθόηεηα 3 phr nano- ZnO θαη 5 phr nano- TiC. 72

85 Κευάλαιο 6 Πειραματικά αποτελέσματα ρήκα 6.8 Ληθξνθσηνγξαθία SEM ηνπ ζύλζεηνπ κε πεξηεθηηθόηεηα 3 phr nano- ZnO θαη 7 phr nano- TiC. ρήκα 6.9: Ληθξνθσηνγξαθία SEM ηνπ ζύλζεηνπ κε πεξηεθηηθόηεηα 5 phr nano- ZnO θαη 3 phr nano- TiC. ρήκα 6.: Ληθξνθσηνγξαθία SEM ηνπ ζύλζεηνπ κε πεξηεθηηθόηεηα 5 phr nano- ZnO θαη 5 phr nano- TiC. 73

86 Κευάλαιο 6 Πειραματικά αποτελέσματα ρήκα 6.11: Ληθξνθσηνγξαθία SEM ηνπ ζύλζεηνπ κε πεξηεθηηθόηεηα 5 phr nano- ZnO θαη 7 phr nano- TiC. ρήκα 6.12: Ληθξνθσηνγξαθία SEM ηνπ ζύλζεηνπ κε πεξηεθηηθόηεηα 7 phr nano- ZnO θαη 3 phr nano- TiC. ρήκα 6.13: Ληθξνθσηνγξαθία SEM ηνπ ζύλζεηνπ κε πεξηεθηηθόηεηα 7 phr nano- ZnO θαη 5 phr nano- TiC. 74

87 Κευάλαιο 6 Πειραματικά αποτελέσματα ρήκα 6.14: Ληθξνθσηνγξαθία SEM ηνπ ζύλζεηνπ κε πεξηεθηηθόηεηα 7 phr nano- ZnO θαη 7 phr nano- TiC. 6.2 Δηειεθηξηθόο Υαξαθηεξηζκόο ηηο παξαγξάθνπο πνπ αθνινπζνύλ παξνπζηάδεηαη ε δηειεθηξηθή απόθξηζε ζηα δείγκαηα θαζαξήο ξεηίλεο, ζθόλεο ZnO, ζύλζεησλ ζπζηεκάησλ επνμεηδηθήο ξεηίλεο κε ZnO θαη ησλ πβξηδηθώλ ζπζηεκάησλ επνμεηδηθήο ξεηίλεο κε ZnO θαη TiC πνπ κειεηήζεθαλ, κε όξνπο ησλ θνξκαιηζκώλ ειεθηξηθήο δηαπεξαηόηεηαο, ειεθηξηθνύ κέηξνπ θαη εηδηθήο αγσγηκόηεηαο ελαιιαζζνκέλνπ. πγθεθξηκέλα γηα θάζε ζύζηεκα δίλνληαη ηα ηξηζδηάζηαηα (3D) δηαγξάκκαηα ε =F(log(f), Σ), ε =F(log(f), Σ), Λ =F(log(f), Σ), Λ = F(log(f), Σ), tan(δ)= F(log(f), Σ) θαη δηαγξάκκαηα ζ= F(log(f), Σ) γηα θάζε δνθίκην Ιαζαξή Επνμεηδηθή Ρεηίλε ηα δηαγξάκκαηα ηνπ πξαγκαηηθνύ θαη ηνπ θαληαζηηθνύ κέξνπο ηεο ειεθηξηθήο δηαπεξαηόηεηαο (ε ) θαη (ε ) ζπλαξηήζεη ηνπ ινγαξίζκνπ ηεο ζπρλόηεηαο θαη ηεο ζεξκνθξαζίαο, παξαηεξείηαη κία αύμεζε ησλ ηηκώλ ηνπ ε θαη ε, ζηελ πεξηνρή ρακειώλ ζπρλνηήησλ θαη πςειώλ ζεξκνθξαζηώλ. ε ζπλζήθεο ρακειώλ ζπρλνηήησλ θαη πςειώλ ζεξκνθξαζηώλ επηηπγράλεηαη ην κέγηζην ηεο ειεθηξηθήο πόισζεο θαζώο ε δηαπεξαηόηεηα είλαη αλάινγε ηεο πόισζεο. Οη ηηκέο ηνπ ε κεηώλνληαη κε ηελ ζπρλόηεηα θαζώο ηα κόληκα ή επαγόκελα δίπνια δελ κπνξνύλ λα παξαθνινπζήζνπλ ηελ ελαιιαγή ηνπ ειεθηξηθνύ πεδίνπ. Οη πνιύ πςειέο ηηκέο ηνπ πξαγκαηηθνύ θαη ηνπ θαληαζηηθνύ κέξνπο ηεο ειεθηξηθήο δηαπεξαηόηεηαο ζηηο ρακειέο ζπρλόηεηεο ππνδεηθλύνπλ έκκεζα ηελ πηζαλόηεηα παξνπζίαο ηνπ παξαζηηηθνύ θαηλνκέλνπ ηεο πόισζεο ειεθηξνδίσλ. Αθόκε ζηηο θακπύιεο ηνπ ζρήκαηνο 6.15 δηαγξάθνληαη δύν «ζθαινπάηηα» πνπ ππνδειώλνπλ ηελ ύπαξμε δηεξγαζηώλ ραιάξσζεο. 75