بعض الخصائص العزلية لمت اركبات بوليمر_ سي ارميك البيزوكهربائية )_( قسم الفيزياء كلية للبنات جامعة بغداد. E-mail:- al-joboury-samara@yahoo.com )مركب سي ارميك تيتانيت زركونيت رصاص الخالصة تم في هذا البحث د ارسة بعض الخصائص العزلية لمت اركبات بوليمر- بأعتماد طريقة صب ة المذيب لتحضير البيزوكهربائية) وكان البوليمر المستخدم ومركب البيزوكهربائية - وبكسور وزنية مختلفة %51 %03 %51 %03 تم قياس ثابت العزل الكهربائي نماذج مت اركبات للبوليمر ونماذج المت اركبات وبالكسور الوزنية المختلفة المحضرة بطريقة صب ة المذيب وقد لوحظ ان قيم ثابت العزل تزداد بزيادة في نماذج المت اركبات زيادة ضئيلة عند النسب القليلة %51 و %03 وكبيرة عند النسب نسبة السي ارميك %51 و %03. كما تم حساب قيم ظل ازوية الفقد tan للبوليمر والمت اركبات وقد لوحظ انها تزداد بزيادة الكسر الوزني لمركب السي ارميك بنسب ضئيلة جدا. كلمات مفتاحية: ثابت العزل فقدان عزلي مواد مت اركبة بوليمرية مواد بيزوكهربائية. المقدمة تقع معظم المواد السي ارميكية ضمن العوازل الالخطية وهي المواد التي يعتمد فيها ثابت العزل على شدة المجال الكهربائي وتتضمن هذه العوازل خواص منها خاصية الحديد وكهربائية Ferroelectric وتمتاز العوازل الحديد وكهربائية بقيم عزل عالية حيث تصل اعظم قيمة له عند درجات ح اررية محددة أو شدة مجال معينة فضال عن اعتمادها على درجة الح اررة وظهور الخواص الحديد وكهربائية ضمن مدى ح ارري محدد ]5[. اما خاصية البيزوكهربائية Piezoelectric هي ظاهرة تولد شحنات كهربائية عندما تخضع المادة الجهاد معين وعكس الحالة تصح أيضا بحدوث تغيير في األبعاد الخطية للمادة بتأثير المجال الكهربائي وفي كلتا الحالتين تسمى هذه الخاصية بالبيزوكهربائية. من أهم المواد التي تمتاز بهذه الصفة هي الكوارتز SiO2 حيث يسمى في بعض األحيان بيزو كوارتز.)Piezoquartz( يحدث االستقطاب الكهربائي لبلو ارت لحديد وكهربائية بسبب ا ازحات األيونات داخل خلية الوحدة وبالعكس عند تسليط مجال كهربائي فانه سوف ينتج إ ازحة للشحنات ولذلك يحدث تشوه في خلية الوحدة وهذا يقود الى ظهور البيزوكهربائية. إن المواد السي ارميكية مثل تيتانيت باريوم BaTiO3 وتيتانيت زركونيت رصاص PZT تملك خصائص بيزوكهربائية. ويعد PZT من بين جميع مواد البيزوسي ارميك األكثر استعماال في محوالت الطاقة (Transducers( حيث ان هذه العائلة من مواد البيزوسي ارميك تملك قيما عالية من معامل البيزوكهربائية ي )Charge Piezoelectric Coefficient) الشحني الكهروميكانيك االقت ارن ومعامل (Electromechanical Coupling Coefficient( وثابت العزل الكهربائي Constant( )Dielectric باألضافة لذلك تملك عامل فقد كهربائي واطئ وممانعة صوتية عالية وقيم واطئة لمعامل البيزوكهربائية الفولتي [2]. لذلك فأنها تستعمل في تطبيقات مختلفة لكن طبيعة هذه المواد الهشة (Brittle) تحد من استعمالها في بعض التطبيقات كما ان د ارسة خصائص العزلية والبيزوكهربائية لمت اركبات /PZT مهمة في تحديد نوع التطبيق مثال توليد والكشف عن الموجات فوق الصوتية وكذلك استثمار العينات البحثية لألغ ارض التطبيقية في مجال محوالت الطاقة )Transducers( أما لتوليد االنفعال أو لتوليد الفولتية ]0[. وهناك العديد من الد ارسات السابقة تهتم في هذا المجال فقد قام الباحث وجماعته Sakamoto et.al 2335 بد ارسة الخصائص العزلية والبيزوكهربائية لمت اركبات متكونة من 25
اساس البوليمر (Polyurethane) Pu PZT ومسحوق السي ارميك ولقابلية هذه المت اركبات الستجابتها لإلشارة الكهربائية فقد استعملت في قياس رطوبة التربة ]5[. 2331 كما قامت الباحثة بد ارسة الخصائص العزلية والبيزوكهربائية لمت اركبات Pb(Zr0.52,Ti0.48)O3 ومسحوق مركب البيزوكهربائي.[1] 2332 كما قام مجموعة من الباحثين بد ارسة الخصائص العزلية لمواد مت اركبة من.[0BaTiO3 ] ومركب التيتانيوم باريوم FPVD الجزء العملي المواد المستعملة بولي فاينيل كلوريد Chloride( Poly)Vinyl بوليمر البوليمر المستعمل في هذه الد ارسة هومن النوع التجاري )commercial( المتوفر في األسواق المحلية. مركب تيتانيت الزركونيت رصاص Lead Zirconate Titanate و المعروف ب PZT ذي الصيغة الكيمياوية هو مركب سي ارميكي يحضر بطريقة تقنية المساحيق من أوكسيد الرصاص و أوكسيد الزركونيوم و أوكسيد التيتانيوم بنسب وزنية محددة. تحضير العينات Preparation of Samples اعتمدت نسب مختلفة للبوليمر المت اركبات. والسي ارميك لتحضير وتم قياس االو ازن المكافئة من بوليمر كلوريدالفاينيل وسي ارميك وكانت النسب الوزنية المئوية المختارة لتحضير مت اركبات هي حضرت النماذج من مت اركبات بوليمر- المذيب %03 %51 %03 %51 Solvent Cast Technique على إذابة البوليمر في مذيب مناسب وخلطت أو ازن من بوليمر سي ارميك بتقنية صب ة تعتمد هذه التقنية هيئت قوالب دائرية وسي ارميك بنسب وزنية محددة. و أذيب البوليمر الحاوي السي ارميك بمذيب وصبت الخلطة )Slurry( في القالب. (Drying Oven) جففت النماذج بوضعها في فرن تجفيف عند درجة 75 0 C لمدة 24h إل ازلة بقايا المذيب. بعدها فصلت النماذج عن القالب وتم الحصول على نماذج عبارة عن أق ارص دائرية بقطر 25mm.1.5mm إلج وسمك ارء القياسات الكهربائية لنماذج مت اركبات الكهربائي والفقدان العزلي. لحساب ثابت العزل الكهربائي والفقدان العزلي وهي قياس ثابت العزل dielectric constant dielectric loss السعة الكهربائية لنماذج مت اركبات دارة تكامل فقد تم ترتيب إج ارء قياس -PZT 111 بأستعمال Circuit( )555 Integrated.]1[ توفر هذه الدائرة إمكانية قياس السعة الكهربائية للنماذج قيد الد ارسة حيث يعد استعمال النمط الثابت لمؤقت 111 واحد من ط ارئق قياس السعة ولمدى واسع من الترددات عند درجة ح اررة الغرفة حيث ان الجزء األساس لهذه الدارة هو دارة تكامل I.C.555 والقادر على إنتاج تذبذب مضبوط وكانت قيم السعة مقاربة للقيم القياسية ولقد ثبت تجريبيا أن ازوية الطور بين التيار والفولتية تكون أقل من ) 0 90) ب ازوية صغيرة يطلق عليها ازوية الفقدان Angle( )loss يرمز لها ( ( عند وجود مادة عازلة بين لوحي المتسعة وباستخدام العالقات التالية: Cx XC=(Ra+2Rb) r = C d ϵ A 1 2fXc - C المتسعة. f التردد. - d سمك النموذج. - A مساحة المقطع. كانت النتائج كما موضح بالجدول رقم العزل والفقدان العزلي )5( لقيم ثابت للكسو ارلوزنية المختلفة لمت اركبات - -.KHz53 النتائج والمناقشة المحسوبة ثابت العزل الكهربائي و الفقدان العزلي عند التردد Dielectric Constant and dielectric loss يبين الشكل )5( نتائج ثابت العزل الكهربائي لنماذج مت اركبات المقاس عند التردد )53 khz( مع نسب الكسور الوزنية نالحظ أن ثابت العزل الكهربائي يعطي قيما عالية لذلك فان الزيادة في ثابت العزل للمت اركبات تكون 26
tanδ نتيجة المساهمة لسي ارميك يملك ثابت عزل عال بحدود المقاسة ان قيم ثابت العزل ضئيلة عند النسب القليلة %51 %03 و %51 اما الشكل و الذي [51560]. يالحظ من النتائج لنماذج المت اركبات تزداد زيادة و %03 )2( فيوضح قيم وكبيرة عند النسب حيث ان الفقدان العزلي هو قياس لكفاءة عزل المادة و يعبر عنه بداللة ظل ال ازوية و تسمى ب ازوية الفقد و كلما اقتربت المتسعة من الحالة المثالية فأن القدرة المفقودة تتضاءل. حيث ان وجود المادة المضافة الى قالب البوليمر أدى الى زيادة قيم ظل ازوية الفقد tan و بما ان القدرة المفقودة داخل األنموذج تتناسب عكسيا مع مقاومته ولهذا فأن قيم ظل ازوية الفقد تزداد بسبب انخفاض مقاومته المادة العازلة. كذلك فأن أطوار المواد المكونة لنماذج المت اركبات تؤدي دو ار كبي ار في تحديد مقدار معامل الفقد حيث ان المجال الكهربائي المسلط يؤثر على االلكترونات و االيونات و الف ارغات الموجودة في المادة مع ذلك فأن حركة الشحنات تتباطىء عند تالقي اي طور في المادة بسبب حدود تلك االطوار مما يؤدي الى زيادة التوصيلية فيها و بالتالي ت ازيد قيم معامل الفقد ]7[ ]2[. جدول رقم )7( يوضح لقيم ثابت العزل والفقدان العزلي للكسو ارلوزنية المختلفة لمت اركبات tan المحسوبة عند التردد.KHz71 -PZT wt. (%) % 0 %.1 % 40 % 31 % 00 32.4.020..3230 4121 05210 020.0 02040 0204. 02044 02041 شكل )7( يوضح عالقة ثابت العزل مع النسب الوزنية لمت اركبات PZT./ شكل )4( يوضح عالقة قيم الفقدان العزلي مع النسب الوزنية لمت اركبات./ PZT 120 100 80 60 40 20 0 0.04 0.035 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 0 15 30 45 60 Wt.% 0 15 30 45 60 Wt.% References [1] Mohammed H.S, Piezoelectricity Dielectric and Elastic Properties of PVDF and BaTiO3- PVDF Composite, college of science, University of Baghdad, Iraq, 2003. [2] Arit G., Hennings D., & G.deWith, Dielectric Properties of Fine- grained Barium Titanate Ceramics (BaTio3), J.Appl. Phys., 58[4] 1619-1625 1985. [3] Popielarz R., Chiang C. K., Nozaki R., Obrzut ferroelectric ceramic composites from 100 Hz to 10 GHz. Macromolecules, 27
J. Dielectric properties of polymer, 34, 5910 5915 (2001). [4] Sakamoto W.K., Malmoge J.A., & S.H.Fernandes, Ferroelectric Ceramic/ Polymer Composite For Soil Humidity Detection, On line Magazine, Sensors & Transducers, 39 112-120 2004. [5] M. susan Study of Dielectric and Piezoelectric Properties of Ceramic Polymer Composites -PZT University of Baghdad, Iraq, 2005. [6] Chanmal C. V., Jog J. P.: Dielectric relaxations in PVDF/ BaTiO3 nanocomposites. Express Polymer Letters, 2, 294 30 2008. [7] Mater J. Chem. Enhancement of dielectric constant and piezoelectric coefficient of ceramic polymer composites by interface chelation, 19, 2817-2821, 2009. [8] Olszowy M. Dielectric and Pyroelectric Properties of the Composites of Ferroelectric Ceramic and poly (vinyl chloride), Condensed Matter phys., 6 [2] 307-313, 2003. Abstract In this research. Study some Dielectric properties of polymer - Ceramic composite and the polymer is and piezoelectric Ceramic component is Lead Zirconate Titanate. samples composites prepared by solvent cast method With Weight fraction (15%,30%,45%,60%) dielectric constant increases with increase Weight fraction of ceramics with small increase in 15%,30%,Weight fraction and with large increase in 45%,60% Weight fraction. Also the dielectric loss tanδ is increased by the increasing of Weight fraction for ceramic component Pb (Zr0.6,Ti0.4)O3. 28
29