Features dielectric properties condensed systems

Full Text

Изучение диэлектрических свойств вещества, то есть исследование поведения его комплексной диэлектрической проницаемости в зависимости от частоты, температуры, давления, напряженности электрического поля и прочих факторов, имеет весьма важное научное и техническое значение. Эти исследования позволяют выяснить некоторые закономерности строения молекул, недоступные другим методам, а также дают возможность получить новые необходимые технике изоляционные материалы с заданными свойствами (например, малыми потерями). 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 Novocontrol. Объектами исследования являлись энергонасыщенные материалы (ЭНМ) [1]. В данной работе для диэлектрических исследований использовался метод широкополосной диэлектрической спектроскопии (BDS) [2]. Изучение диэлектрических свойств данных объектов проводилось на диэлектрическом спектрометре NOVOCONTROL CONCEPT-80 в диапазоне частот от 1∙10-2 до 1∙106 Гц при разных температурах. Контроль и автоматическое регулирование температуры осуществлялись 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 составила ±0,5 °С. На рис. 1, 2 представлены диэлектрические спектры проницаемости и потерь исследуемых материалов. Рис. 1. Диэлектрические спектры реальной составляющей диэлектрической проницаемости (ε') при температуре 298 К: 1 - ЭНМ № 1; 2 - ЭНМ № 2; 3 - ЭНМ № 3 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 (HN) с термом проводимости. Уравнение Гаврильяка - Негами: (1) где ε* - комплексная диэлектрическая проницаемость; ε∞ - высокочастотная диэлектрическая проницаемость; ∆ε - дисперсия; ω - частота; τHN - время релаксации; α и β - параметры, которые описывают симметричное и несимметричное расширение комплексной диэлектрической функции (0<α<1; 0<β<1); σ0 - 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 Фогеля - Фалчера - Таммана. Рис. 2. Диэлектрические спектры диэлектрических потерь (ε'') при температуре 298 К: 1 - ЭНМ № 1; 2 - ЭНМ № 2; 3 - ЭНМ № 3 В результате проведенных исследований установлено, что данные вещества обладают невысокими значениями параметров диэлектрического отклика - диэлектрической проницаемости (ε'1 = 3,691; ε'2 = 3,176; ε'3 = 3,310) и диэлектрических потерь (ε''1 = 6,213·10-3; ε''2 = 3,925·10-3; ε''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. Изучены особенности диэлектрического отклика порошкообразных образцов конденсированных систем и показано, что существенный вклад в диэлектрические спектры вносят явления максвелл-вагнеровской поляризации, электродные эффекты и сквозная проводимость образцов [3]. Для тринитротолуола выявлена молекулярная релаксационная поляризация, наблюдаемая в области низких температур. Установлено, что электропроводность образцов тринитротолуола, очищенных методом перекристаллизации, более чем на порядок ниже, чем для образцов штатного тринитротолуола. Исследования температурной зависимости комплексной электропроводности выявили «прыжковый» характер проводимости конденсированных систем, который 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 конденсированные системы, метод широкополосной диэлектрической спектроскопии представляет возможность исследования межфазных взаимодействий в конденсированных системах на основе анализа максвелл-вагнеровской поляризации и транспорта носителей электрических зарядов.

About the authors

Natalia A Kirshenkova

Kazan National Research Technological University

Postgraduate Student. 68, Karl Marx st., Kazan, 420015, RT

Timur N Iskhakov

Kazan National Research Technological University

(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor. 68, Karl Marx st., Kazan, 420015, RT

Viktor Y Bazotov

Kazan National Research Technological University

(Dr. Sci. (Techn.)), Professor. 68, Karl Marx st., Kazan, 420015, RT

Valery G Dzhangiryan

AO “MPZ”

(Dr. Sci. (Techn.)), Professor. 7, Leningradskaya st., Murom, Vladimirski region, 602205, Russian Federation

Dmitry V Fadeev

AO “MPZ”

Chief Engineer. 7, Leningradskaya st., Murom, Vladimirski region, 602205, Russian Federation

References

Supplementary files