Μελέτη Διηλεκτρικών Ιδιοτήτων Κεραμικών Υλικών Εφαρμογή: Διοξείδιο Του Τιτανίου

Abstract

Η εργασία αυτή ερευνά τις διηλεκτρικές ιδιότητες κονίας διοξειδίου του τιτανίου (TiO2) και της επίδρασης σε αυτές της θερμικής κατεργασίας και της ανάμιξης του με ανθρακικό ασβέστιο (CaCO3) για τον μετασχηματισμό του σε περοβσκίτη (CaTiO3). Τα υλικά που έχουν θερμανθεί σε θερμοκρασία μεγαλύτερη ή ίση των 1000oC χαρακτηρίζονται ως κεραμικά και εμφανίζουν σημαντικά πλεονεκτήματα σε σύγκριση με το αρχικό υλικό. Το φαινόμενο που εκδηλώνεται κατά τη θερμική επεξεργασία είναι η πυροσυσσωμάτωση κατά την οποία οι κόκκοι του υλικού ενώνονται με γειτονικούς τους και δημιουργούν μεγαλύτερους μειώνοντας τη συνολική επιφάνεια του υλικού χωρίς όμως να μεταβάλλεται η κρυσταλλική δομή του υλικού.Η μελέτη του οξειδίου του τιτανίου βασίστηκε στην διηλεκτρική φασματοσκοπία δηλαδή στην καταγραφή των διηλεκτρικών ιδιοτήτων του υλικού με την συχνότητα. Ο κρυσταλλικός χαρακτηρισμός των δειγμάτων έγινε με την μέθοδο της περίθλασης ακτίνων Χ (X-ray diffraction - XRD).Χρησιμοποιήθηκαν τρεις τύποι κονίας: καθαρού οξειδίου του τιτανίου, οξειδίου του τιτανίου με 30% ανθρακικό ασβέστιο και με 50% ανθρακικό ασβέστιο. Οι κονίες αυτές μορφοποιήθηκαν με ισοστατική συμπίεση σε κυλινδρικά δισκία, τα οποία υπέστησαν στη συνέχεια θερμική κατεργασία.Τέλος, μετρήθηκαν με τη χρήση του ισοδύναμου παράλληλου κυκλώματος χωρητικότητας-αγωγιμότητας (Cp-G) η μιγαδική σχετική διηλεκτρική σταθερά k*, που αποτελείται από το πραγματικό μέρος (k΄: σχετική διηλεκτρική σταθερά ή επιτρεπτότητα) και το φανταστικό μέρος (k΄΄), και η εφαπτομένη απωλειών (tanδ) στην περιοχή συχνοτήτων από 20 Hz έως 1MHz.Από τα πειραματικά δεδομένα προκύπτει ότι τα διηλεκτρικά χαρακτηριστικά μεταβάλλονται σημαντικά με τη συχνότητα. Αυτό οφείλεται στους μηχανισμούς πόλωσης που εξασθενούν με την αύξηση της συχνότητας και έτσι μειώνονται τα k΄ και k΄΄. Επίσης πολύ σημαντικός είναι ο ρόλος της θερμικής επεξεργασίας. Όσο αυξάνεται η θερμοκρασία ενώ παραμένει σταθερός ο χρόνος παραμονής, η σχετική διηλεκτρική σταθερά μειώνεται σε κάθε συχνότητα της περιοχής μελέτης λόγω του φαινομένου της πυροσυσσωμάτωσης. Η καμπύλη των απωλειών εμφανίζει τοπικά μέγιστα τα οποία οφείλονται σε φαινόμενα συντονισμού. Επίσης, το διοξείδιο του τιτανίου με θέρμανση στους 915oC ή σε υψηλότερη θερμοκρασία αλλάζει κρυσταλλική δομή και από τον πολυμορφισμό του ανατάση, που είναι η αρχική κονία, μετατρέπεται σε ρουτίλιο.Τέλος, η προσθήκη στο αρχικό υλικό ανθρακικού ασβεστίου, που έχει αρκετά χαμηλότερη διηλεκτρική σταθερά από το TiO2 ιδιαίτερα στις χαμηλές συχνότητες, οδηγεί σε σημαντική μείωση των διηλεκτρικών μεγεθών. Μάλιστα, όσο μεγαλύτερο είναι το ποσοστό της πρόσμιξης τόσο μεγαλύτερη είναι η μείωση. Με τη θέρμανση, η σύσταση των μειγμάτων αλλάζει λόγω του σχηματισμού οξειδίου του ασβεστίου και περοβσκίτη επηρεάζοντας περαιτέρω τη διηλεκτρική συμπεριφορά του υλικού.