پیزوالکتریت فلوئوره اتیلن- پروپیلن

دسته: مقالات منتشر شده در 20 شهریور 1400
نوشته شده توسط Admin بازدید: 672

پیزوالکتریت های سه لایه از فیلمهای کوپلیمر فلوئورۀ اتیلن- پروپیلن (FEP)

فرآیند آماده سازی پیزوالکتریت های سه لایه از فیلم های کوپلیمر فلوئورۀ اتیلن- پروپیلن (FEP) در اینجا معرفی شده است. چندین نمونه با استفاده از روش های برش لیزری، باند لیزری، تبخیر الکترود و پولینگ میدان بالا از این فیلم های تجاری تهیه شده اند. طیف دی الکتریک رزونانس مشاهده شده پیزوالکتریسیتۀ ساندویچ های FEP را نشان می دهد. ضرایب d₃₃ پیزوالکتریک نیز تا چند pC/N نیز بدست می آید. بارگیری در دماهای بالا می تواند پایداری حرارتی پیزوالکتریت ها را افزایش دهد. آزمایشات ایزوترمال به مدت تقریبی 15 دقیقه بیانگر این مطلب است که نمونه های بارگیری شده در دمای 140 درجه سلسیوس، فعالیت پیزوالکتریک خود را تا حداقل 120 درجه سلسیوس حفظ کرده و همچنین توانسته اند 70 درصد از d₃₃ اولیه خود را حتی در دمای 130 درجه سلسیوس حفظ کنند. اندازه گیری های صوتی نشان دهندۀ پاسخ فرکانسی نسبتآ مساوی در محدودۀ بین 300 هرتز و 20 کیلوهرتز هستند.

 

فروالکتریت های پلیمری مواد جذابی برای حسگرها و محرک های دارای خواص ترکیبی و گاهآ غیرمعمول هستند. پلیمرهای پیزوالکتریک، در مقایسه با کریستال یا سرامیک، دارای مزیت های بسیاری همچون وزن سبک، انعطاف پذیری، سازگاری با اشکال مختلف، امپدانس آکوستیک پایین، جابجایی آسان وغیره هستند. فروالکتریت ها بیش از چهار دهه بر اساس پلیمرهای قطبی مانند پلی وینیلیدن فاز بتا (β-PVDF) و برخی از کوپلیمرهای آن با تری فلوئوراتیلن (P(VDF-TrFE)) در دست توسعه و بررسی قرار گرفته اند. اخیرآ فروالکتریت های پلیمرهای غیرقطبی بسیار مورد توجه علوم کاربردی بوده اند. فیلم های پلیمر- فروالکتریت سلولی حاصل از پلی پروپیلن (PP)، پلی اتیلن ترفتالات (PET)، کوپلیمرهای الفین- سیکلو (COCs) و پلی اتیلن نفتالات (PEN) توسعه یافته و با توجه به کاربردهای پیزوالکتریکی بالقوه شان بررسی شده اند. علاوه براین، پیزوالکتریت های سه لایه از  FEP/ تترا فلوئور اتیلن متخلخل (p-PTFE)/FEP نیز گزارش شده اند. با این حال، همچنان کاستی هایی وجود دارد که استفاده از فروالکتریک ها و فروالکتریت های پلیمری فعلی را محدود می کند. برای مثال، β-PVDF ضرایب d₃₃ نسبتآ پایدار را در محدودۀ pC/N 20 نشان می دهند و از طرفی، در دمای بالاتر از 80 درجه سلسیوس نمی توان از آنها استفاده کرد. فروالکتریت های PP ممکن است ضریب d₃₃ 600 pC/N و بیشتر را نشان دهند اما دمای کارکرد آنها نمی تواند خیلی بیشتر از 60 درجه سلسیوس باشد. فروالکتریت های PET، COC و PEN ثبات نسبتآ بهتری از d₃₃ را نشان می دهند اما معمولآ به مقادیر کمتری از آن نیاز دارند. خواص فروالکتریت ها به شدت به مورفولوژی سلولی بستگی دارد؛ به این معنا که اندازه و پراکندگی حفره ها و آماده سازی کنترل شدۀ ساختار سلولی بهینه همچنان چالش برانگیز است. اخیرآ، پیزوالکتریت های FEP با کانال های لوله ای پیشنهاد شده اند؛ به دلیل پایداری بار حرارتی عالی در آنها، حداکثر دمای کارکرد تا 130 درجه سلسیوس است. از طرفی، این مفهوم به انجام فرایند لمینیت در 300 درجه نیاز دارد که هزینه تولید را افزایش می دهد.

 

طیف دی الکتریک رزونانس:

طیف دی الکتریک رزونانس (DRS) با کمک یک آنالیزور دی الکتریک با وضوح بالا (Novocontrol ALPHA) و یک کرایوسیستم (Novocontrol QUATRO) برای کنترل دما ارزیابی می شود. در شکل زیر طیف رزونانس از نمونۀ سه لایه در دمای اتاق ارائه شده است.

 

شکل 1: طیف دی الکتریک رزونانس از نمونۀ حاوی ظرفیت بخش Ć واقعی و بخش مهاجر Ć´

 Dielectric-resonance spectrum DRS

 

با توجه به مقادیر ارائه شده در این شکل، ضخامت متوسط روزنۀ هوا  d₀,measرا تقریبآ 67-8 میکرومتر محاسبه می کنیم که بیشتر از میزان پیش بینی شدۀ 50 میکرومتر است. این انحراف ممکن است از نقص یا آلودگی در نقاط اتصال یا اطراف آنها منتج شده باشد که درنهایت، منجر به تفکیک بیش از حد فیلم های بیرونی و شبکه می شود. همچنین از یک مدل مدار معادل برای میکروفن الکتریت ساده (خطوط تیره) برای متناسب سازی طیف دی الکتریک رزونانس استفاده شد. انحراف بین آزمایش و مدل ممکن است ناشی از تفاوت های بین تک تک سلول های فروالکتریت باشد. از آنجا که حالت رزونانس به جابجایی خارج از فاز دو فیلم بیرونی مربوط می شود؛ در نتیجه، هوا در روزنه بصورت دوره ای فشرده و منبسط می شود. بنابراین، این فرایند نمی تواند آدیاباتیک باشد زیرا گرادیانت حرارتی به اندازه کافی بزرگ است که بتواند تبادل حرارتی بین گاز و دیواره های پلیمری ایجاد کند. نیروی بازگردانی که فیلم ها را تحت تأثیر قرار می دهد، به فاکتور ϒd با میزان بالای 1.4 برای یک فرایند آدیاباتیک و میزان محدود 1 برای فرایند ایزوترمال بستگی دارد.

 

خواص حرارتی:

از طیف دی الکتریک رزونانس برای بررسی خواص حرارتی نمونه ها استفاده می شود. به همین منظور، نمونه ها در دمای اتاق (RT) یا در دمای بالای انتخاب شده به ترتیب در 110 و 140 درجه سلسیوس شارژ می شوند. با شارژ در دمای بالا، ولتاژ شارژ پس از خنک شدن نمونه تا RT خاموش می شود. طیف هم با توجه به دما و با استفاده از "آزمایش کوتاه مدت" در دمای فزایده افزایش یافت. اندازه گیری هر طیف (فرکانس های 1 کیلوهرتز تا 1 مگاهرتز) 15 دقیقه طول کشید و بعنوان تابعی از فرکانس در شرایط تقریبآ ایزوترمال در دمای از پیش تعیین شده ثبت شد. سپس همان نمونه ها تا دمای بعدی با همان درجه حرارت قبلی گرم شده و طیف مربوطه نیز ثبت شد. علاوه براین، طیف ها در محدوده دمایی 20-150 درجه در مراحل 10 درجه ایی اندازه گیری شدند. طیف های مرتبط با اتلاف دی الکتریک از نمونه های شارژ شده در دمای اتاق، دمای 110 درجه سلسیوس و دمای 140 درجه بترتیب در شکل زیر ارائه شده اند.

 

شکل 2:

 Temperature-frequency maps of the dielectric loss

 

پیک های دی الکتریک رزونانس در فرکانس های 30.9، 49.0 و 52.5 کیلوهرتز برای نمونه های شارژ شده در RT به ترتیب 110 و 140 درجه سلسیوس مشاهده شده است. پیزوالکتریت هایی که در دمای بالا شارژ شده اند، فرکانس رزونانس بیشتری را در مقایسه با فرکانس شارژ شده در RT نشان می دهند. این رفتار ممکن است از تیمار حرارتی مرتبط با شارژ دما و خنک شدن متعاقب آن در فیلم های FEP ناشی شده باشد. در نتیجه، فرکانس های رزونانس مربوطه افزایش می یابند.

 

در اینجا فرایند جایگزین برای تولید پیزوالکتریت های ساندویچ FEP ارائه شده است. نمونه های تهیه شده از فیلم های تجاری FEP موجود در چند مرحله حاصل شده اند: برش لیزری، اتصال لیزری، تبخیر الکترودها و پولینگ با شارژ بالا. طیف دی الکتریک رزونانس (DRS) پیزوالکتریسیتۀ ساندویچ های FEP را نشان می دهد. ضرایب پیزوالکتریک d₃₃ تا pC/N 350 با استفاده از آماده سازی ساختار بهینه و شارژ الکتریکی بدست می آید. ثبات حرارتی پاسخ پیزوالکتریک با استفاده از DRS نیز بررسی شده است. نمونه ها به مدت 15 دقیقه در دمای افزایشی 20-130 درجه سلسیوس با مراحل 10 درجه ای بصورت ایزوترمال تیمار شدند. همانطور که انتظار می رفت نمونه های شارژ شده در دماهای بالای مناسب، ثبات حرارتی بسیار بهتری را نشان می دهند.