مواد و فناوری‌های پیشرفته

فصلنامه

شماره جاری

بر اساس شماره‌های نشریه

بر اساس نویسندگان

بر اساس موضوعات

نمایه نویسندگان

نمایه کلیدواژه ها

درباره نشریه

اهداف و دامنه ها

اعضای هیات تحریریه

اصول اخلاقی انتشار مقاله

بانک ها و نمایه نامه ها

پیوندهای مفید

پرسش‌های متداول

فرایند پذیرش مقالات

اخبار و اعلانات

اطلاعات آماری نشریه

بررسی ریزساختار و خواص دی‌الکتریک چندسازه‌های پلی‌وینیل الکل ـ تیتانات مس کلسیم

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه مراغه، مراغه، آذربایجان شرقی، ایران

2 دانشیار، گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه مراغه، مراغه، آذربایجان شرقی، ایران

3 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه مراغه، مراغه، آذربایجان شرقی، ایران

چکیده

چکیده     در این پژوهش، ریزساختار و خواص دی‌الکتریک چندسازه پلی‌وینیل الکل ـ تیتانات مس کلسیم (CCTO-PVA)، با درصدهای وزنی صفر، 10، 30 و 70 فاز سرامیکی به‌عنوان افزاینده خواص دی‌الکتریک بررسی شد. برای تهیه چندسازه، نخست، ذرات CCTO از تکلیس مخلوط مواد اولیه اکسیدهای مس و تیتانیم و کربنات کلسیم، در دمای 1000 درجه ‌سلسیوس به‌دست آمد. سپس محلول‌هایی با مقادیر مناسبی از PVA در آب تهیه و ذرات CCTO براساس درصد وزنی چندسازه به آن‌ها اضافه شد. در انتها، مخلوط در دمای 60 درجه ‌سلسیوس خشک شد. نتایج الگوی پراش پرتو ایکس (XRD) نشان داد که با افزایش میزان فاز CCTO در چندسازه‌ها، از ارتفاع قله نیمه‌بلوری PVA به‌شدت کاسته می‌شود. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) نمایانگر آن بود که ذرات CCTO به‌خوبی در فاز پلیمری پراکنده شده‌اند. از بررسی نتایج خواص دی‌الکتریک اندازه‌گیری‌شده مشخص شد که برای ذرات CCTO، ثابت دی‌الکتریک و فاکتور اتلاف در بسامد یک کیلوهرتز، به‌ترتیب، حدود 1360 و 04/0 است، درحالی‌که این پارامترها برای PVA، به‌ترتیب، 4 و 15/0 است. با افزایش مقدار فاز سرامیکی در چندسازه از صفر به 70 درصد وزنی، ثابت دی‌الکتریک از 4 به 68 افزایش و فاکتور اتلاف از 17/0 به 04/0 کاهش یافت. مقایسه رفتار خواص دی‌الکتریک با نتایج مدل‌های پیش‌بینی‌کننده، آشکار ‌کرد که رفتار چندسازه با مدل لگاریتمی بیشتر همخوانی دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Investigation of the Microstructure and Dielectric Properties of Polyvinyl Alcohol-CaCu3Ti4O12 Composites

نویسندگان [English]

  • Siamak Alipour 1
  • Mohammad Maleki Shahraki 2
  • Javad Kolivandzadeh 3

1 Assistant Professor, Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, University of Maragheh, Maragheh, East Azerbaijan, Iran

2 Associate Professor, Department of Materials Engineering, Faculty of Engineering, University of Maragheh, Maragheh, East Azerbaijan, Iran

3 M. Sc. Student, Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, University of Maragheh, Maragheh, East Azerbaijan, Iran

چکیده [English]

The current study aims to investigate the microstructural and dielectric properties of the composite based on Polyvinyl alcohol-CaCu3Ti4O12 (CCTO-PVA) containing 0, 10, 30, and 70 wt % ceramic phase as the dielectric promoter. To this end, CCTO particles were first prepared by calcination of CuO, TiO2, and CaCO3 mixture at 1000 °C to fabricate the composite. Then, solutions with adequate amounts of PVA in water were provided, and the CCTO was added to solutions considering the composite weight percentage. Finally, the mixtures were dried at 60 °C. The X-Ray Diffraction (XRD) results of the powder indicated that upon increasing the amount of CCTO considerably, the semi-crystal peak height of the PVA would decrease. In addition, according to Scanning Electron Microscopy (SEM), the CCTO particles were dispersed preferably well in the polymeric phase. Dielectric properties were measured at 1 KHz, and the findings revealed that the dielectric constant and dissipation factors of the CCTO were measured as 1360 and 0.04, respectively. Moreover, these parameters of the PVA were obtained as 4 and 0.15, respectively. Increasing the CCTO weight percent of composites from zero to 70 % would increase the dielectric constant from 4 to 68 and reduce the dissipation factor from 0.17 to 0.04. The comparison of the dielectric constants with the results from different models indicated that the composite behavior was in good agreement with the logarithm model output. 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Composite
  • CaCu3Ti4O12
  • Dielectric Properties
  • Polyvinyl Alcohol
مراجع
  1. Yao, Z., Song, Z., Hao, H., Yu, Z., Cao, M., Zhang, S., Lanagan, M. T., Liu, H., "Homogeneous/inhomogeneous‐structured dielectrics and their energy‐storage performances", Advanced Materials, Vol. 29, No. 20, (2017), 1-15. https://doi.org/10.1002/adma.201601727
  2. Wang, Y., Jie, W., Yang, C., Wei, X., Hao, J., "Colossal permittivity materials as superior dielectrics for diverse applications", Advanced Funtional Materials, Vol. 29, No. 27, (2019), 1808118. https://doi.org/10.1002/adfm.201808118
  3. Gunawardane, K., "Capacitors as energy storage devices-simple basics to current commercial families", In Energy storage devices for electronic systems: Rechargeable batteries and supercapacitors, Academic Press, New York, NY, USA, (2015), 137-148.
  4. Hayati, R., Razavian, M. R., "Dielectric and mechanical properties of BZT-xBCT piezoceramics modified by nano SiO2 additive", Advanced Ceramics Progress, 6, No. 2, (2020), 24-29. https://doi.org/10.30501/acp.2020.109545
  5. Pakseresht, A. H., Rahimpour, M. R., Vaezi, M. R., Salehi, M., "Effect of plasma spray parameters on the microstructure and dielectric properties of barium titanate coating", Journal of Advanced Materials and Technologies (JAMT), Vol. 3, No. 2, (2015), 1-9. https://doi.org/10.30501/jamt.2635.70257
  6. Singh, L., Rai, U. S., Mandal, K. D., Singh, N. B., "Progress in the growth of CaCu3Ti4O12 and related functional dielectric perovskites", Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials, Vol. 60, No. 2, (2014), 15-62. https://doi.org/10.1016/j.pcrysgrow.2014.04.001
  7. Chung, S. Y., Kim, I. D., Kang, S. J. L., "Strong nonlinear current–voltage behaviour in perovskite derivative calcium copper titanate", Nature Materials, Vol. 3, (2004), 774-778. https://doi.org/10.1038/nmat1238
  8. Maleki Shahraki, M., Daeijavad, H., Emami, A. H., Abdollahi, M., Karimi, A., "An engineering design based on nano/micro-sized composite for CaTiO3/CaCu3Ti4O12 materials and its dielectric and non-Ohmic properties", Ceramics International, Vol. 45, (2019), 21676-21683. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.07.166
  9. Prompa, K., Swatsitanga, E., Saiyasombat, C., Putjuso, T., "Very high performance dielectric and non-ohmics properties of CaCu3Ti2O12 ceramics for X8R capacitors", Ceramics International, Vol. 44, (2018), 13267-13277. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.04.156
  10. Jiang, S., Jin, L., Hou, H., Zhang, L., "Polymer-based nanocomposites with high dielectric permittivity", In Polymer-based multifunctional nanocomposites and their applications, Elsevier Publication, (2019), 201-243. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-815067-2.00008-1
  11. Arbatti, M., Shan, X., Cheng, Z. Y., "Ceramic–polymer composites with high dielectric constant", Advanced Materials, Vol. 19, (2007), 1369-1372. https://doi.org/10.1002/adma.200601996
  12. Xie, C., Liang, F., Ma, M., Chen, X., Lu, W., Jia, , "Microstructure and dielectric properties of PTFE-based composites filled by micron/submicron-blended CCTO", Crystals, Vol. 7, No. 5, (2017), 126. https://doi.org/10.3390/cryst7050126
  13. Variar, L., Muralidharan, M. N., Narayanankutty, S. K., Ansari, S., "High dielectric constant, flexible and easy-processable calcium copper titanate/thermoplastic polyurethane (CCTO/TPU) composites through simple casting method", Journal of Materials Science: Materials in Electronics, Vol. 32, (2021), 5908-5919. https://doi.org/10.1007/s10854-021-05311-z
  14. Ernest Ravindran, R. S., Thomas, P., Renganathan, S., "Effect on dielectric, structural and thermal behaviour of CaCu3Ti4O12 in a Nylon 11 matrix", Bulletin of Materials Science, Vol. 42, (2019), 28. https://doi.org/10.1007/s12034-018-1707-y
  15. Yang, W., Yu, S., Sun, R., Du, R., "Nano- and microsize effect of CCTO fillers on the dielectric behavior of CCTO/PVDF composites", Acta Materialia, Vol. 59, No. 14, (2011), 5593-5602. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2011.05.034
  16. Wang, Y., He, P., Li, F., "Graphene-improved dielectric property of CCTO/PVDF composite film", Ferroelectrics, Vol. 540, (2019), 154-161. https://doi.org/10.1080/00150193.2019.1611108
  17. You, X., Chen, N., Du, G., "Constructing three-dimensionally interwoven structures for ceramic/polymer composites to exhibit colossal dielectric constant and high mechanical strength: CaCu3Ti4O12/epoxy as an example", Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 105, (2018), 214-222. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2017.11.025
  18. Graça, M. P. F., Sabóia, K. D. A., Amaral, F., Costa, L. C., "Microwave dielectric properties of CCTO/PVA composites", Advances in Materials Science and Engineering, Vol. 7, (2018), 1-7. https://doi.org/10.1155/2018/6067519
  19. Tuncer, E., Duckworth, R. C., Sauers, I., James, D. R., Ellis, A. R., "Dielectric properties of polyvinyl alcohol filled with nanometer size barium titanate particles", IEEE Annual Report, Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, (2007), 225-227. https://doi.org/10.1109/CEIDP.2007.4451457
  20. Hdidara, M., Chouikhi, S., Fattoum, A., Arous, M., Kallel, A., "Influence of TiO2 rutile doping on the thermal and dielectric properties of nanocomposite films based PVA", Journal of Alloys and Compounds, Vol. 750, (2018), 375-383. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.03.272
  21. Rao, J. K., Raizada, A., Ganguly, D., Mankad, M. M., Satayanarayana, S. V., Madhu, G. M., "Investigation of structural and electrical properties of novel CuO–PVA nanocomposite films", Journal of Materials Science, Vol. 50, (2015), 7064-7074. https://doi.org/10.1007/s10853-015-9261-0
  22. Choudhary, S., Sengwa, P. R. J., "Structural characterization of hydrophilic polymer blends/montmorillonite clay nanocomposites", Journal of Applied Polymer Science, Vol. 131, No. 16, (2014), 40617. https://doi.org/10.1002/app.40617
  23. Xiang, F., Wang, H., Yao, , "Preparation and dielectric properties of bismuth-based dielectric/PTFE microwave composites", Journal of European Ceramic Society, Vol. 26, No. 10, (2006), 1999-2002. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2005.09.048
  24. Carvalho Araújo, M., Costa, C. M., Lanceros-Méndez, S., "Evaluation of dielectric models for ceramic/polymer composites: Effect of filler size and concentration", Journal of Non-Crystalline Solids, Vol. 387, (2014), 6-15. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2013.12.005
  25. Rao, Y., Qu, J., Marinis, T., Wong, P., "A precise numerical prediction of effective dielectric constant for polymerceramic composite based on effective-medium theory", IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, Vol. 23, No. 4, (2000), 680-683. https://doi.org/10.1109/6144.888853

 

 

مواد و فناوری‌های پیشرفته
دوره 11، شماره 1
خرداد 1401
صفحه 13-22
فایل ها
سابقه مقاله
  • تاریخ دریافت: 11 مرداد 1400
  • تاریخ بازنگری: 05 شهریور 1400
  • تاریخ پذیرش: 23 شهریور 1400
هم رسانی
ارجاع به این مقاله
آمار