پلیمر های فرو الکتریک

دسته: مقالات منتشر شده در 14 آبان 1398
نوشته شده توسط Admin بازدید: 665

پلیمر های فرو الکتریک به چه موادی گفته میشود؟

پلیمر های فرو الکتریک گروهی از پلیمر های بلورین قطبی هستند که با نام فرو الکتریک نیز شناخته می شوند، بدین معنی که آنها حالت قطبی دائمی دارند که میتواند با ایجاد تغییراتی به یک میدان الکتریکی خارجی تبدیل شود.

پلیمر های فرو الکتریک مانند پلی ونیلیدین فلوراید یا PVDF به دلیل برخورداری از خواصی مانند پاسخ های ذاتی پیروالکتریک به عنوان مبدل های صوتی و عملگرهای مکانیکی مورد استفاده قرار می گیرند . یکی دیگر از مصارف آنها نیز سنسورهای گرمایی است زیرا دارای قابلیت پاسخ دهی پیرو الکتریک ذاتی هستند.

 

پیش زمینه و مقدمه در خصوص پلیمرهای فرو الکتریک

برای اولین بار در سال 1971 گزارشاتی درباره پلیمر های یاد شده  با این مضمون منتشر شد   که این پلیمر ها دارای زنجیره هایی هستند که باید علاوه بر رفتار فرو الکتریکی، رفتار پیزو الکتریک و پیرو الکتریک نیز داشته باشند.

یک پلیمر فرو الکتریک باید از قطبیت الکتریکی دائمی برخوردار باشد تا بتوان این قطبیت را با استفاده از یک میدان الکتریکی برعکس نمود. در این پلیمرها، دو قطبی ها را میتوان به صورت تناوبی نظم داد ولی استفاده از میدان الکتریکی نظم آنها را تغییر داده و رفتاری فرو الکتریک در آنها بوجود می آورد. برای دستیابی به چنین هدفی، ماده باید در معرض دمایی پایین تر از دمای کوری قرار گیرد (حداکثر دمایی که ماده در آن خواص مغناطیسی خود را حفظ میکند). در صورتی که دمای پلیمر از این مقدار بالاتر رود،  رفتار پارا الکتریکی پیدا خواهد کرد که رفتار فرو الکتریکی را از بین خواهد برد زیرا میدان الکتریکی با ان هم سو نخواهد بود.

رفتار پیزوالکتریک در نتیجه رفتارهای فرو الکتریک بوجود می آیند که در آن پلیمر با قرارگیری در معرض فشار، میدان الکتریکی تولید میکند و یا با بر اثر اعمال میدان الکتریکی، تغییر شکل خواهد داشت مانند ترک برداری، تغییر آرایش پلیمر در میدان الکتریکی، کشش یا فشردگی.

رفتار پیروالکتریک نیز در نتیجه ی تغییرات دمایی و یا رفتارهای الکتریکی در ماده بوجود می آیند. برای یک پلیمر فرو الکتریک فقط به رفتارهای فرو الکتریک نیاز است ولی با این حال پلیمرهای فرو الکتریک امروزی از خواص پیروالکتریک و پیزو الکتریک نیز برخوردارند.

 به منظور ایجاد قطبیت الکتریکی که امکان معکوس سازی را دارد، پلیمرهای فرو الکتریک باید بلورین باشند مانند سایر انواع پلیمر های این دسته. الکترت ها (یک ماده ی دی الکتریک  که بار نیمه پایداری دارد) عامل ایجاد رفتارهای فرو الکتریکی هستند که به عنوان مواد دی الکتریکی شناخته میشوند که با قرار گیری در معرض میدان الکتریکی و حرارت حالت قطبی پیدا میکنند. پلیمرهای فرو الکتریک از آنجایی متفاوت می باشند که کل موجودیت آنها قطبی می شود و وجود گرما چندان ضروری نخواهد بود. اگرچه این پلیمرها با الکترت ها تفاوت دارند ولی اغلب با همان نام شناخته میشوند. پلیمر های یاد شده در دسته ای از مواد قرار می گیرند با نام مواد منظم بی نظم. این پلیمرها از دو قطبی های متناوب (پارا الکتریک) به دو قطبی های منظم فرو الکتریک تبدیل میشوند. پس از کشف پلی ونیلیدین فلوراید یا PVDF، پلیمرهای بسیاری دیده شدند که حاوی خواص فرو الکتریک، پیروالکتریک و پیزوالکتریک بودند. ابتدا ترکیبات متفاوت و هم بسپار هایی از پلی ونیلیدین فلوراید یا PVDF کشف شدند مانند پلی ونیلیدین فلوراید به همراه پلی متیل متا کریلات. سایر موارد نیز با همین خواص کشف شدند مانند پلی فلوئورو اتیلن و نایلون.

 

تاریخچه ی پلیمرهای فرو الکتریک

مفهوم فروالکتریسیته اولین بار در سال 1921 کشف  شد و در دهه 50 نیز نقش خیلی مهم تری در حوزه ی محصولات الکتریکی ایفا کرد. فرو الکتریک ها میتوانند بخشی از ساختار اکسیژنی هشت سطحی باشند ولی میتوان آنها را در سه دسته دیگر نیز قرار داد مانند پلیمر های ارگانیک، ترکیبات سرامیکی پلیمری و ترکیبات شامل رادیکالهای پیوند خورده با هیدروژن.

در سال 1969 بود که فردی با نام Kawai متوجه اثار پیزوالکتریک در پلیمری با نام پلی وینیلیدین فلوراید شد. دو سال بعد، گزارشاتی مبنی بر وجود خواص فرو الکتریک در این ماده مشاهده شد.در دهه 70 و 80 نیز این این پلیمرها به منظور ذخیره و بازیابی  داده استفاده شد. در طی دهه پیش، پیشرفتهای زیادی در حوزه کشف علوم مواد، فیزیک و فناوری پلیمر یاد شده و سایر انواع پلیمرها صورت گرفته است. هم بسپار پلی ونیلیدین فلوراید یا PVDF و تری فلوئورو اتیلن و نایلون ها نیز در دسته انواع فرو الکتریک قرار می گیرند. تمام این کشفیات به تولید محصولات مختلف در حوزه پیزوالکتریسیته و پیروالکتریسیته منجر شده اند.

 

پلی ونیلیدین فلوراید یا PVDF

  • ترکیب و سنتز پلی ونیلیدین فلوراید یا PVDF: ساده ترین راه سنتز این ماده، بسپارش رادیکال وینیلیدین فلوراید است ولی این بسپارش به یک ناحیه خاص محدود نمی شود. ساختار غیر متقارن این ماده باعث میشود تا ایزومرها در طی بسپارش آرایش ویژه ای داشته باشند. ممکن است قرار گیری مونومرها در زنجیره پلیمری به صورت سر به سر یا سر به انتها باشد. به منظور کنترل بیشتر سنتز پلیمرهای محدود به منطقه ، هم بسپارش پیشنهاد شد. در یکی از این روش ها از پیش ماده ای استفاده می شود که حاصل هم بسپارش وینیلیدین فلوراید و 1-chloro-2,2-difluoroethylene (CVF2) یا (1-bromo-2,2-difluoroethylene( BVF2 میباشد.
    • مطالعه ی ساختار پلی ونیلیدین فلوراید یا PVDF: به منظور کاهش انرژی تولیدی زنجیره ها که از واکنش های داخلی استریک و الکترواستاتیک ناشی میشود، گردشی حول پیوند های تکی در زنجیره این ماده رخ  میدهد. دو پیوند پیچشی در نحوه قرارگیری این مواد وجود دارد با نام های ترانس و مایل. در حالت ترانس، زیر مجموعه ها با زاويه 180 درجه ای نسبت به یکدیگر قرار گرفته اند. در خصوص مایل ها نیز، زاویه قرار گیری منفی یا مثبت 60 درجه میباشد. مولکولهای این ماده در هر واحد تکراری دو اتم هیدروژن و دو اتم فلوئورین دارند. بنابراین صورت بندی های  مختلفی در آنها انجام میگیرد. اگرچه محدودیت های چرخشی در این مواد بالا بوده  و می توان زنجیره ها را در ناحیه ای به جز انواع کم انرژی پایدار نمود.

 

تحقیقات اخیر در حوزه پلیمرهای فرو الکتریک

پلیمر های فرو الکتریک و سایر مواد برای تولید محصولات مختلفی به کار برده شده اند ولی هنوز هم تحقیقات زیادی در خصوص این مواد انجام میگیرد. به عنوان مثال تحقیقاتی درباره ی فرو الکتریک های نوین صورت میگیرد که که دارای ضریب بالای دی الکتریک می باشند. پلیمرهای فرو الکتریک همانند پلی وینیلیدین فلوراید و پلی وینیلیدین فلوراید و تری فلوئورو اتیلن هم گزینه ای مطلوب برای محصولات گوناگون می باشند زیرا دارای خواص مطلوب پیزوالکتریک و پیروالکتریک بوده و  مقاومت ظاهری صوتی آنها نیز کم می باشد و مناسب برای آب و پوست انسان است. همچنین می توان از آنها برای پاسخگویی به نیازمندی های متفاوت نیز استفاده نمود. یک رویکرد معمول برای افزایش ضریب دی الکتریک، پراکندگی پودر سرامیک با ضریب بالای دی الکتریک در پلیمر میباشد. پودرهای سرامیکی معمول PbTiO3 و Pb(Zr,Ti)O3 می باشد و از سرب ساخته شده اند. این مورد می تواند یک ویژگی منفی باشد زیرا سرب به صورت بالقوه ماده ای مضر است و پلیمر انعطاف خود را در فشار بالا از دست داده و در نهایت پلیمری با کیفیت پایین بدست می آید.

پیشرفتهای اخیر نیز باعث شده اند تا از روش های ترکیبی برای تولید ترکیباتی استفاده شود که از پلی ونیلیدین فلوراید یا PVDF و پودرهای فلزی ارزان قیمت ساخته می شوند. پودرهای نیکل نیز در ساخت این مواد نقش دارند. ضریب دی الکتریک از مقدار کمتر از ده به حدود چهار صد رسید. این پیشرفت بزرگ در نظریه پرکولاسیون یا انباشت توضیح داده شده است.

مواد فرو الکتریک در تولید سنسور ها هم نقش داشته اند به خصوص سنسورهای پرفشار . مشخص شده است که پلیمرهای فرو الکتریک تحت فشار حالت پیزو لومینسانس (انتشار نور از یک ماده ی پیزوالکتریک با قرارگیری در معرض فشار) نیز دارند. این خاصیت در موادی با حالت پیزوالکتریک مشاهده میشود.

روش های مختلفی در منحنی فشار برای یک ماده جامد وجود دارد با نامهای ارتجاعی، پلاستیک  و شکستگی. نوری که  در حالت ارتجاعی از ماده تابیده میشود با نام پیزولومینسنس شناخته میشود.

 

پلیمر های فرو الکتریک چه مصارفی دارند؟

·         حافظه های غیر فرار و ماندنی (حافظه هایی که با قطعی برق اطلاعات در ان ها پاک نمیشود): یکی از کاربردهای پلیمر های یاد شده، تجمیع فیلمهای Langmuir–Blodgett با فناوری نیمه هادی به منظور تولید حافظه های با دسترسی تصادفی و دستگاه های ذخیره داده میباشد. تحقیقات اخیر در خصوص فیلمهای عنوان شده و سایر انواع فیلم های سنتی تر نشان میدهد که هم بسپارهای وینیلیدین فلوراید (متشکل از 70 درصد وینیلیدین فلوراید و 30 درصد تری فلوئورو اتیلن) موادی مناسب برای حافظه های ماندنی می باشد. این دستگاه به شکل حافظه های ظرفیتی نیمه هادی فرو الکتریک فلزی ساخته میشود. نتایج بدست آمده نشان میدهند که این فیلمها میتوانند دستگاه هایی با ولتاژ پایین را بسازند.

·        مبدل یا تراگذار: اثرات فرو الکتریکی همیشه با خواص الکتریکی در ارتباط بوده است و از همین ویژگی میتوان در مبدل ها استفاده نمود. انعطاف و هزینه پایین پلیمرها استفاده از فرو الکتریکها در تولید مبدل را ساده تر می سازد. ترکیب و تنظیمات این دستگاه ساده بوده و معمولا از یک قطعه فیلم فرو الکتریک به همراه یک الکترود روی سطح بالایی و پایینی  تشکیل شده است.

·        سنسورها: زمانی که یک دستگاه به عنوان سنسور عمل می کند، فشار مکانیکی یا صوتی وارد بر یکی از سطوح باعث فشردگی ماده میشود. با استفاده از اثر پیزوالکتریک مستقیم، ولتاژی بین الکترودها تولید میشود.

·        عملگرها: در عملگرها نیز، ولتاژ اعمال شده به الکترودها از طریق اثر عکس پیزوالکتریک، فشار زیادی را بر فیلم وارد میکند.