Исследование диэлектрических свойств энергонасыщенных материалов методом широкополосной диэлектрической спектроскопии Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 661.728

Н. А. Кирющенкова, Т. Н. Исхаков, В. Я. Базотов

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭНЕРГОНАСЫЩЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

МЕТОДОМ ШИРОКОПОЛОСНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

Ключевые слова: энергонасыщенные материалы, диэлектрические спектроскопия, диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери, время релаксации, энергия активации.

Методом широкополосной диэлектрической спектроскопии исследованы диэлектрические свойства энергонасыщенных материалов в широком диапазоне частот и температур. Количественный анализ диэлектрических спектров энергонасыщенных материалов (ЭНМ) проведен с использованием модельной функции Гаврильяка-Негами (HN) c термом проводимости и установлены существенные различия в параметрах.

Keywords: high power materials, dielectric spectroscopy, the dielectric constant, dielectric loss, relaxation time, the activation energy.

The method of broadband dielectric spectroscopy investigated ehnergonasyshchennyh dielectric properties of materials over a wide frequency range and temperature. Quantitative analysis of the dielectric spectra of energy-materials (ENM) is carried out using a model function Gavrilyaka- Negami (HN) c term conductivity and indicate significant differences in the parameters.

Актуальность исследований

Известно, что кристаллы энергонасыщенных материалов (ЭНМ) обладают склонностью к электризации и накоплению статических зарядов, характеризующихся высокими значениями электрического потенциала. Электризация ЭНМ, как правило, является нежелательным эффектом.

Внедрение новых технологий, недостаточно исследованных с точки зрения электростатики, может приводить к возникновению аварийных ситуаций. Процессы накопления и релаксации электрических зарядов зависит от многих факторов: физико-химических свойств материалов, условий окружающей среды, природы контактирующих материалов и т.д. В реальных условиях эти факторы накладываются друг на друга, усиливая или ослабляя процессы электризации. В то же время, существующие методы исследования электризации не достаточно совершенны, а существующие способы защиты от проявлений статической электризации не всегда эффективны. Поэтому вопрос электростатической безопасности на предприятиях остается весьма актуальным.

Изучение диэлектрических свойств ЭНМ вызывает не только научный интерес, но также имеет важное практическое значение, например, электропроводность порошков ЭНМ является одним из важнейших факторов, определяющих электризацию и накопление статического электричества в технологических процессах их переработки.

На сегодняшний день разработаны и производятся установки, позволяющие производить измерения в широком диапазоне частот при изменении температуры образца в заданном температурном интервале. Мировое признание получили диэлектрические спектрометры фирмы «№уосои1го1».

Экспериментальная часть

Объектами исследования являлись ЭНМ. [1]

В данной работе для диэлектрических исследований использовался метод широкополосный

диэлектрической спектроскопии (BDS). [2] Изучение диэлектрических свойств данных объектов проводились на диэлектрическом спектрометре «NOVOCONTROL CONCEPT-80» в диапазоне частот 1-10-2 до 1-106 Гц при разных температурах. Контроль и автоматическое регулирование температуры осуществлялось системой QUATRO

CRYOSYSTEM. Теплоносителем служили пары сжиженного азота. Измерения проводились по схеме плоского конденсатора с использованием ячейки BDS 1308. Автоматическое управление экспериментом осуществлялось программой Win Deta с использованием техники 3D-измерений. В процессе эксперимента регистрировались и сохранялись все диэлектрические параметры. Для каждой температуры производили измерения при 42 различных значениях частоты. Точность регулирования температуры ±0,5°С.

На рис. 1-2 представлены диэлектрические спектры проницаемости и потерь исследуемых материалов.

101 102 10Э 10* 1С5 105 10Г 10®

Frequency [Hi}

1- ЭНМ 1; 2 - ЭНМ 2; 3- ЭНМ 3

Рис. 1 - Диэлектрические спектры реальной составляющей диэлектрической проницаемости (е') при температуре 298 К

Frequency [Hz]

1- ЭНМ1; 2 - ЭНМ 2; 3- ЭНМ 3

Рис. 2 - Диэлектрические спектры диэлектрических потерь (е'') при температуре 298 К

Для количественного анализа диэлектрических свойств был произведен фитинг полученных спектров. Фитинг - это техника обработки диэлектрических спектров, заключающаяся в подборе параметров той или иной модельной функции. [3] Анализ диэлектрических спектров был проведен с использованием в качестве фитинговой функции уравнения Гаврилька-Негами(ДЫ) с термом проводимости.

Уравнение Гаврильяка-Негами:

£

£ +

Д£

1+(( or" ■ ")

+ J

И

U0 • О J

(1)

где е*- комплексная диэлектрическая проницаемость; е„ - высокочастотная диэлектрическая проницаемость; Ае - дисперсия; ю- частота; Thn -время релаксации; а и в - параметры, которые описывают симметричное и несимметричное расширение комплексной диэлектрической функции (0<а<1; 0<в<1); с0 - электропроводность при постоянном токе; j - мнимая единица [4].

Обработка спектров для определения энергии активации (Еа) проводилась с использованием программы Win Fit. Анализ активационных кривых производился в соответствии с уравнением Вогел-Фалчера -Таммана.

Результаты

1. В результате проведенных исследований установлено, что данные вещества обладают невысокими значениями параметров диэлектрического

отклика - диэлектрической проницаемости (е'1 = 3,691; е'2 = 3,176; е'3 = 3,310) и диэлектрических потерь (е''1 = 6,213-10-3; е''2 = 3,925-10-3; е''3 = 3,318-10-3). В связи с этим, существенное влияние на результаты измерения абсолютных значений диэлектрической проницаемости и потерь оказывает пористость образцов, точность измерения геометрии образца, характер взаимодействия токопроводящих электродов с поверхностью образца.

2. Изучены особенности диэлектрического отклика порошкообразных образцов ЭНМ и показано, что существенный вклад в диэлектрические спектры вносят явления Максвелл- Вагнеровской поляризации, электродные эффекты и сквозная проводимость образцов. [3]

3. Для тринитротолуола выявлена молекулярная релаксационная поляризация, наблюдаемая в области низких температур.

4. Установлено, что электропроводность образцов тринитротолуола, очищенных методом перекристаллизации более чем на порядок ниже, чем для образцов штатного тринитротолуола.

6. Исследования температурной зависимости комплексной электропроводности выявили «прыжковый» характер проводимости ЭНМ, которая связывается с наличием примесей, с энергией активации Еа ~21 кДж/моль.

Таким образом, несмотря на отсутствие молекулярной релаксации в кристаллических диэлектриках, к которым относятся исследованные ЭНМ, метод широкополосной диэлектрической спектроскопии представляет возможность исследования межфазных взаимодействий в ЭНМ на основе анализа Максвелл-Вагнеровской поляризации и транспорта носителей электрических зарядов.

Литература

1. Вахидов Р.М., Куражов А.С., Хадиева Д.А., Исхаков Т.Н., Безопасный газогенерирующий состав для электродетонатора без инициирующих ВВ.- «Вестник КТУ».-2011.- №18.-с.308-310.

2. Исхаков Т.Н., Кирющенкова Н.А., Петров А.В., Гиба-дуллин М.Р. и др, Исследование диэлектрических свойств целлюлозы и наноцеллюлозы методом широкополосной диэлектрической спектроскопии.- «Вестник КТУ». - 2012. - №16. - с.12-15.

3. Kremer F. Broadband Dielectric Spectroscopy / F. Kremer. - Berlin, 2003. - 729c.

4. Фрелих Г. Теория диэлектриков, пер. с англ., М.,1960.

© Н. А. Кирющенкова - аспирант каф. ТТХВ КНИТУ, [email protected]; Т. Н. Исхаков - к.т.н., доцент каф. ТТХВ КНИТУ; В. Я. Базотов - д.т.н., профессор каф. ТТХВ КНИТУ.

© N. A. Kirshenkov - graduate student of Department. THW, KNRTU, [email protected]; T. N. Iskhakov - Ph.D., associate Professor of Department. THV, KNRTU; V. J. Bazotov - doctor of technical Sciences, Professor of Department. THW, KNRTU.