Revista de Investigación y Desarrollo
Acceso abierto
ISSN: 2311-3278
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Kimberly Cook Chennault
Las películas dieléctricas de nanocompuestos de cerámica y polímeros de alta permitividad aprovechan la facilidad de flexibilidad y procesamiento de los polímerosy propiedades funcionales de los rellenos cerámicos. Por lo tanto, podrían aplicarse a dispositivos avanzados de almacenamiento de energía integrados para tableros eléctricos cableados impresos. La incompatibilidad de los dos materiales constituyentes, el relleno cerámico hidrofílico y el epoxi hidrofóbico, limita la concentración del relleno y, por lo tanto, las propiedades dieléctricas de estos materiales. El uso de tensioactivos y el procesamiento core-shell de rellenos compuestos se utiliza tradicionalmente para lograr la estabilización electrostática y estérica para una distribución adecuada de las partículas cerámicas. Este trabajo tiene como objetivo comprender el papel de la concentración de surfactante en el establecimiento de capas interfaciales significativas entre el epoxi y las partículas de relleno cerámico mediante la observación de la morfología de la superficie de las partículas, la permitividad dieléctrica y los factores de disipación del dispositivo. Se realizó un estudio exhaustivo de los nanocompuestos que estaban compuestos por titanato de bario (BT) sin tratar y con tratamiento superficial incrustados en una matriz epoxi. Los tratamientos superficiales se realizaron con etanol y 3-glicidiloxipropiltrimetoxisilano, donde se observó la mejor distribución, el mayor valor de permitividad (~48,03) y el menor valor de pérdida (~0,136) para las muestras que se fabricaron utilizando 0,5 fracción volumétrica de BaTiO3 y 0,02 fracción de volumen de agente de acoplamiento de silano.
Se ha desarrollado una ruta de procesamiento escalable para la fabricación de películas de nanocompuestos dieléctricos a base de polímeros mediante la deposición por pulverización y la polimerización in situ de dispersiones de monómeros y nanopartículas. Se lograron películas de polidiacrilato-BaTiO3 con cargas de relleno de 10 % en volumen a 30 % en volumen y un espesor controlado de 5 a 30 μm mediante la optimización de las condiciones de rociado del caudal del líquido de rociado, la presión del gas de atomización y la velocidad y temperatura transversal del sustrato. Las investigaciones microestructurales confirmaron la presencia de nanopartículas de BaTiO3 bien dispersas incrustadas en la matriz de polidiacrilato. Se han alcanzado constantes dieléctricas de ∼ 39 a 10kHz, fuerzas de ruptura excesivas de >100kV/mm y corrientes de fuga bajas de 10−9 a 10−8A/cm2 por encima de 1000V, y estabilidad térmica hasta 150°C para PTPGDA–30 vol% películas de BaTiO3. El bajo costo,
Las sustancias dieléctricas convencionales basadas totalmente en cerámica se han utilizado ampliamente desde el descubrimiento del titanato de bario (BaTiO3, κ ~ 3000), debido a su gran consistencia dieléctrica (o permitividad, εr o κ). (Arit, Hennings et al. 1985; Fujishima 2000; Ihlefeld, Laughlin et al. 2005) Estos óxidos metálicos del tipo ABO3 tienen una estructura de perovskita y pueden mostrar una polarización espontánea por debajo del campo cero debido al desplazamiento del átomo central, B, a lo largo del eje cristalino c, como se muestra en la Figura 1.3. . Sin embargo, estas sustancias tienen muchas restricciones, como un requisito de temperatura excesiva en el procesamiento, una gran fuga de vanguardia bajo una polarización aplicada tremendamente pequeña y una baja rigidez dieléctrica (~2 V/μm) que limita el voltaje de funcionamiento.
La forma cristalina de la perovskita ABO3. (1) Fase no ferroeléctrica (fase cúbica), A: sitios web octaédricos en cada cara, B: átomo medio y átomos de oxígeno en cada esquina. (2) Forma de perovskita debajo de un campo eléctrico aplicado donde el átomo central se desplaza a lo largo del eje cristalino c (fase tetragonal). Un material ferroeléctrico tiende a mantener este desplazamiento exhibiendo una polarización espontánea incluso después de apagar el campo externo. La orientación de esta polarización se puede cambiar con la ayuda de aplicar una magnitud razonable de campo externo. Puede eliminarse adicionalmente cuando la energía térmica (kBTc, kB = constante de Boltzman, Tc = temperatura de Curie) es suficientemente alta o cuando se aplica una disciplina coercitiva.
Por otro lado, los materiales poliméricos como el polipropileno orientado biaxialmente (BOPP) muestran una resistencia dieléctrica muy alta (~640 V/μm) con una fácil procesabilidad a baja temperatura. El desarrollo de materiales fácilmente procesables con las propiedades deseadas a menudo no solo proviene de la síntesis de nuevos materiales, sino también de la combinación de materiales existentes. Una tela compuesta es una combinación de dos o más sustancias componentes que se comportan como un sistema de tela con casas mezcladas de más de un constituyente. De ahí la idea de mezclar partículas cerámicas de alta permitividad con polímerosse ha agregado para hacer materiales fácilmente procesables, con excesiva permitividad, baja fuga y excesiva resistencia a la rotura. Recientemente, se han demostrado algunos resultados basados en este pensamiento, pero las viviendas recibidas son apropiadas solo para algunas aplicaciones limitadas. Por lo tanto, se requieren avances en el procesamiento de estos materiales compuestos para satisfacer la creciente demanda de materiales de rendimiento general excesivo, por ejemplo, densidades de capacitancia más altas y resistencias a la ruptura, en electrónica de vanguardia.
Las teorías analíticas que describen la permitividad de alta calidad de un dispositivo compuesto que tiene una conectividad 0-3 predicen que la permitividad de alta calidad aumenta tanto con una fracción de cantidad creciente de la sección activa (rellenos de alta permitividad) como con una permitividad creciente de la sección pasiva (polímero anfitrión). ). Un modelo de uso frecuente para describir estructuras compuestas dieléctricas solía desarrollarse utilizando Jayasundere y Smith, como se muestra en la ecuación. Se describirán los detalles sobre modelos únicos. Dos ejemplos de efectos de cálculo del uso de esta ecuación para una buena permitividad de los nanocompuestos se prueban en Por lo tanto, las fracciones de volumen excesivo de rellenos de alta permitividad en anfitriones de polímeros de alta permitividad son los aspectos clave para obtener compuestos de polímero/cerámica de permitividad excesiva.
Los materiales compuestos de polímero/cerámica han descubierto muchas funciones hasta ahora como componentes dieléctricos, sin embargo, la búsqueda actual se dirige al uso de partículas mucho más pequeñas (nanopartículas) ya que la miniaturización y la integración de factores electrónicos requieren un rendimiento general similar o mejor desde un lugar mucho más pequeño. y/o extensión de los materiales.
La simple mezcla de nanopartículas en un polímero anfitrión generalmente da como resultado películas pobres, excepcionales y no homogéneas, normalmente debido a la aglomeración de las nanopartículas. (Gilbert, Schuman et al. 2005) son adecuados para aumentar la permitividad fina de los nanocompuestos. El aumento de la fracción de cantidad de las nanopartículas aumenta el área interfacial de las nanopartículas en el sistema. El procesamiento y la obtención de imágenes en movimiento fino de nanocompuestos de alta calidad con fracciones de gran cantidad de nanopartículas será aún más difícil, excepto la manipulación de las interfaces de nanopartículas. Por lo tanto, las técnicas para el cambio químico de las superficies de las nanopartículas son tremendamente deseables.
La edición química de la superficie de las nanopartículas tiene muchas ventajas viables: i) el recubrimiento de la superficie de la nanopartícula con un modificador químico, o ligando, puede suprimir con éxito la agregación de nanopartículas, que es el primer problema que debe resolverse para lograr nanocompuestos homogéneos, la compatibilidad de Las sustancias visitantes (relleno de nanopartículas) en sustancias anfitrionas (polímero) se pueden expandir mediante la alteración de la forma de un modificador químico de acuerdo con la de los medios circundantes, iii) se pueden personalizar diferentes rendimientos químicos favorecidos para procesamiento adicional, estudios , y diferentes aplicaciones, y tan pronto como se establezca la química de modificación de la superficie, se puede utilizar sin esfuerzo para otros sistemas comparables.