Επίδραση Υγρασίας Σε Νανοδιηλεκτρικά Υλικά 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 του. 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).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.This thesis investigates the permittivity properties of titanium oxide (TiO2) and the effects of calcination on them. Materials which are subjected to thermal treatment in temperatures higher than 1000oC are characterized as ceramics and they have considerable advantages over the raw material. The main phenomenon that takes place during calcination is sintering. The crystal grains expand and the relevant packing density is increased without any change in the crystal structure.The study of the dielectric properties of TiO2 was based on the dielectric spectroscopy method, which measures the dependence of the dielectric properties of a material on frequency. Τhe method of the X-ray diffraction (XRD) was used for the crystal characterization of the compacts.Measurements were taken of the dielectric properties of the material, that is their complex permittivity (real and imaginary part) and the loss factor (tanδ) for the frequency range 20 Hz - 1MHz. We used the equivalent capacitance - conductance (Cp - G) parallel circuit.It has been found that the dielectric properties vary significantly with frequency. This is attributed to the polarization mechanisms, which weaken when the frequency increases, and subsequently the real and the imaginary permittivity part (k' and k'' respectively) decrease. Moreover, the calcination temperature plays an important role due to the sintering phenomenon. For the same time of heating, the higher the temperature of heating is, the lower the dielectric constant is for each frequency in the range of study. The tangent loss (tanδ) diagram shows some local maxima due to resonance phenomena. Also, TiO2 after heating at higher temperatures than 915oC changes crystal structure and converts automatically from anatase to rutile.