1. Αποθετήριο Παραδοτέων Υποτρόφων Δράσεων ΕΣΠΑ Τριτοβάθμιας Εκπαίδευσης 2017-2023
2. Όλο το Αποθετήριο
3. Μεταδιδακτορικοί ερευνητές

Τύπος:	Κείμενο εργασίας
Τίτλος:	Ανάπτυξη, χαρακτηρισμός και λειτουργική συμπεριφορά πολύ-αποκρινόμενων σύνθετων υλικών ελαστομερικής μήτρας- κεραμικών εγκλεισμάτων-μορφών άνθρακα
Συγγραφέας:	[EL] Πατσίδης, Αναστάσιος[EN] Patsidis, Anastasios [EL] Ψαρρας, Γεωργιος[EN] Psarras, Georgios
Ημερομηνία:	Ιου-2019
Περίληψη:	Η επιστημονική και τεχνολογική σημασία των νανοδομημένων υλικών σε συστήματα προηγμένης τεχνολογίας είναι πολύ μεγάλη και αναγνωρίζεται διεθνώς, λόγω των εν δυνάμει εφαρμογών τους, που βασίζονται στη θερμομηχανική συμπεριφορά τους, στην επιβράδυνση της καύσης, στις ηλεκτρικές τους ιδιότητες κτλ. Ο όρος «νανοδιηλεκτρικά» συνδέει-συσχετίζει τα διηλεκτρικά υλικά με τη νανοτεχνολογία. Η βασική επίδραση της νανο-ενισχυτικής φάσης σχετίζεται με την εκτεταμένη διεπιφάνεια που σχηματίζεται ανάμεσα στα συστατικά του σύνθετου συστήματος. Στην περίπτωση σύνθετων υλικών πολυμερικής μήτρας με νανοεγκλείσματα η διάταξη μπορεί να προσομοιωθεί ως ένα διεσπαρμένο δίκτυο νανοπυκνωτών. Οι πυκνωτές αποτελούν διατάξεις αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας, έτσι η φόρτιση και εκφόρτιση των νανοδιηλεκτρικών εγκλεισμάτων μπορεί να ορίσει μια διαδικασία αποθήκευσης ενέργειας στη νανοκλίμακα, εισάγοντας έναν νέο τύπο νανοδιατάξεων. Η ενσωμάτωση πολικών οξειδίων ή πιεζο/σιδηρο-ηλεκτρικών στοιχείων στο εσωτερικό πολυμερικής μήτρας προσθέτει λειτουργικότητα στη συμπεριφορά των νανοσύνθετων, μέσω της μεταβαλλόμενης πόλωσης των εγκλεισμάτων. Με τον τρόπο αυτό δημιουργούνται υλικά που μπορούν να αποτελέσουν κατάλληλη βάση για την ανάπτυξη ευφυών συστημάτων. Από την άλλη μεριά η ενίσχυση των πολυμερών με νανοεγκλείσματα αλλοτροπικών μορφών του άνθρακα οδηγεί σε συστήματα με προηγμένη θερμομηχανική και ηλεκτρική συμπεριφορά. Στην παρούσα μεταδιδακτορική έρευνα αναπτύχθηκαν και μελετήθηκαν πειραματικά σειρές σύνθετων υλικών ελαστομερικής μήτρας, με παράμετρο τον τύπο και την περιεκτικότητα σε ενισχυτική φάση. Παρασκευάσθηκαν ομάδες σύνθετων υλικών ελαστομερικής πολυμερικής μήτρας (πολυ-διμέθυλοσιλοξάνη-polydimethylsiloxane, PDMS), που περιλαμβάνουν πολικά κεραμικά, όπως μίκρο και νανο-εγκλείσματα τιτανικού βαρίου (ΒaTiO3) ή νανοσωματίδια του μεικτού οξειδίου τιτανίου-στροντίουβαρίου (BaSrTiO3), και νανοεγκλείσματα αλλοτροπικών μορφών άνθρακα, όπως carbon black (CB), νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλού τοιχίου (MWCNTs) και αποφλοιωμένα γραφιτικά νανοεπίπεδα (exfoliated graphite nanoplatelets, GnP). Επιπλέον, παρασκευάσθηκαν σύνθετα υβριδικά συστήματα με συνδυασμό των κεραμικών εγκλεισμάτων με αυτά του άνθρακα, με σκοπό τη μελέτη της επίδρασης της περιεκτικότητας των διαφορετικών εγκλεισμάτων στις ιδιότητες των σύνθετων υλικών. Την παρασκευή των δοκιμίων ακολούθησε πολύπλευρος χαρακτηρισμός τους. Για λόγους αναφοράς παρασκευάστηκε και μελετήθηκε και δοκίμιο μη ενισχυμένου PDMS. Η μορφολογία τους διερευνήθηκε με την τεχνική της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (scanning electron microscopy) και την τεχνική σκέδασης ακτίνων-Χ (x-ray diffraction scattering). Διαπιστώθηκε η επιτυχής διασπορά των νανο-εγκλεισμάτων αλλά και η ύπαρξη μικρών συσσωματωμάτων. Ο χαρακτηρισμός των εγκλεισμάτων μέσω των φασμάτων σκέδασης ακτίνων-Χ είχε ως στόχο την ταυτοποίηση πιθανών μεταβάσεων φάσης στα εγκλείσματα, οι οποίες επηρεάζουν την συμπεριφορά των τελικών σύνθετων συστημάτων. Αποδείχθηκε μέσω των φασμάτων ακτίνων-Χ ότι τα σωματίδια του τιτανικού βαρίου υφίστανται δομικό μετασχηματισμό από την πολική τετραγωνική δομή (σιδηροηλεκτρική φάση) στην μη-πολική κυβική δομή (παραηλεκτρική φάση) σε μία κρίσιμη θερμοκρασία, πλησίον των 130οC. Η μετάβαση είναι περισσότερο έντονη στην περίπτωση των μικροσωματιδίων. Η λειτουργική συμπεριφορά των συστημάτων σχετίζεται με τη θερμικά διεγειρόμενη δομική μετάβαση από τη σιδηροηλεκτρική στην παραηλεκτρική φάση των εγκλεισμάτων τιτανικού βαρίου, τη μεταβολή του προσήμου του θερμοκρασιακού συντελεστή ειδικής αγωγιμότητας και τη δυνατότητα αποθήκευσης ενέργειας. Ακολούθησε θερμικός χαρακτηρισμός των σύνθετων υλικών, με στόχο τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσής τους. Η θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης για όλα τα νανοσύνθετα κυμάνθηκε σε ένα εύρος θερμοκρασιών από -45οC έως -40οC με μία μικρή διακύμανση ανάλογα με το είδος του νανοεγκλείσματος. Η χαμηλή θερμοκρασία μετάβασης του PDMS είναι ένας από τους βασικούς λόγους στους οποίους οφείλονται οι ελαστικές του ιδιότητες. Η μελέτη της ιξωδοελαστικής συμπεριφοράς των συνθέτων πραγματοποιήθηκε με την τεχνική της δυναμικής μηχανικής θερμικής ανάλυσης (dynamic mechanical thermal analysis DMTA) σε ευρύ φάσμα θερμοκρασιών. Τα ενισχυμένα συστήματα παρουσιάζουν αυξημένες τιμές του μέτρου αποθήκευσης με την αύξηση της θερμοκρασίας λόγω της διεργασίας της ψυχρής κρυστάλλωσης «cold crystallization» του PDMS. Τη βέλτιστη συμπεριφορά επέδειξε το σύστημα με 1 phr MWCNTs και από τα υβριδικά συστήματα 5 phr ΒaTiO3 / 1 phr MWCNTs. Η ηλεκτρική απόκριση των σύνθετων συστημάτων εξετάστηκε με τη μέθοδο της διηλεκτρικής φασματοσκοπίας ευρέως φάσματος, σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων και θερμοκρασιών. Η ανάλυση των πειραματικών δεδομένων έγινε μέσω των φορμαλισμών της ηλεκτρικής διαπερατότητας, του ηλεκτρικού μέτρου και της εφαπτομένης των απωλειών. Η χρήση και των φορμαλισμών προσφέρει τη δυνατότητα εξαγωγής περισσότερων πληροφοριών για τις φυσικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό των συνθέτων. Δύο διεργασίες χαλάρωσης καταγράφονται, η πρώτη είναι στην περιοχή ενδιάμεσων θερμοκρασιών και χαμηλών συχνοτήτων, ενώ η δεύτερη στις υψηλές θερμοκρασίες και χαμηλές συχνότητες. Το PDMS είναι ημικρυσταλλικό πολυμερές και παρουσιάζει διεπιφάνεια μεταξύ των άμορφων και κρυσταλλικών περιοχών. Η παρατηρούμενη χαλάρωση στις ενδιάμεσες θερμοκρασίες σχετίζεται με τη διεργασία ψυχρής κρυστάλλωσης «cold crystallization» του PDMS. Αυτός ο μηχανισμός καταγράφεται σε σταθερή θερμοκρασία, καθώς μεταβάλλεται η συχνότητα υποδηλώνοντας μια διεργασία αλλαγής φάσης. Η δεύτερη διεργασία αποδίδεται στη διεπιφανειακή πόλωση (interfacial polarization, IP). Η διεπιφανειακή πόλωση είναι η πλέον αργή διεργασία και παρατηρείται σε χαμηλές συχνότητες και υψηλές θερμοκρασίες και σχετίζεται με την ετερογένεια των συστημάτων. Η κορυφή αυτή παρατηρείται στα σύνθετα και στο δοκίμιο του καθαρού PDMS. Το πραγματικό μέρος της ηλεκτρικής διαπερατότητας παρουσίασε αύξηση με την περιεκτικότητα σε ενισχυτική φάση, ιδιαίτερα στην περίπτωση των συστημάτων με εγκλείσματα micro- ΒaTiO3. Η δυνατότητα αποθήκευσης ενέργειας στα συστήματα διερευνήθηκε με χρήση της πυκνότητας ενέργειας υπό σταθερό ηλεκτρικό πεδίο. Διαπιστώθηκε αύξηση της αποθηκευόμενης ενέργειας με αύξηση της περιεκτικότητας σε ενισχυτική φάση. Τη βέλτιστη συμπεριφορά επέδειξε το σύστημα με τη μέγιστη περιεκτικότητα σε εγκλείσματα micro- ΒaTiO3. Επιπλέον από την μελέτη των υβριδικών συστημάτων τη βέλτιστη συμπεριφορά στην δυνατότητα αποθήκευσης ενέργειας επέδειξε το 5 phr ΒaTiO3 / 1 phr MWCNTs. Τέλος, οι θερμοκρασιακά εξαρτώμενες μεταβολές της πόλωσης, εξ αιτίας των μετασχηματισμών δομής «αταξίας-τάξης», των κεραμικών μίκρο- ή νανο-εγκλεισμάτων θα προσδώσουν λειτουργική συμπεριφορά στα σύνθετα συστήματα. Η ταυτόχρονη χρήση μιας θερμοαποκρινόμενης μήτρας και ηλεκτροαποκρινόμενων ενισχυτικών σωματιδίων είναι δυνατόν να οδηγήσει στην ανάπτυξη σύνθετων πολύ-λειτουργικών συστημάτων κατάλληλων για την παρασκευή ευφυών υλικών.
Γλώσσα:	Ελληνικά
Τόπος δημοσίευσης:	Πάτρα, Ελλάδα
Σελίδες:	139
Θεματική κατηγορία:	[EL] Φυσικές Επιστήμες[EN] Natural Sciences [EL] Επιστήμες Μηχανικού και Τεχνολογία[EN] Engineering and Technology
Λέξεις-κλειδιά:	Διηλεκτρική Συμπερίφορα; Λειτουργική Συμπεριφορά; Ελαστομερική Μήτρα; Κεραμικά Εγκλείσματα; Μορφές άνθρακα
Κάτοχος πνευματικών δικαιωμάτων:	© by the author(s)
Σημειώσεις:	Το έργο συγχρηματοδοτείται από την Ελλάδα και την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) μέσω του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Ανάπτυξη Ανθρώπινου Δυναμικού, Εκπαίδευση και Διά Βίου Μάθηση», στο πλαίσιο της Πράξης «Ενίσχυση Μεταδιδακτόρων ερευνητών/ερευνητριών» (MIS-5001552), που υλοποιεί το Ίδρυμα Κρατικών Υποτροφιών (ΙΚΥ).
Εμφανίζεται στις συλλογές:	Μεταδιδακτορικοί ερευνητές