В Институте аналитического приборостроения РАН изучена зависимость диэлектрических свойств композитного материала (в составе олигомерного диизоцианата и титаната бария, который широко применяется в электронике и биотехнологиях) от фрактальной структуры. Целью было подтверждение зависимости данных свойств от однородности распределения наполнителя в полимерной матрице.
Разработка композиционных материалов с заданными диэлектрическими свойствами необходима для изготовления защитных диэлектрических слоев в различных электронных устройствах, включая суперконденсаторы, дисплеи, а также функциональных слоев сорбентов в капиллярных колонках и микрофлюидных чипах.
Для управления электрическими свойствами композитов необходима оптимизация как их состава, так и структуры, характеризующейся взаимным расположением компонентов, т.е. особенностями распределения частиц наполнителя в матрице. Как правило, наилучшие целевые свойства композитов достигаются при наиболее равномерном или упорядоченном распределении наполнителя. Это обусловлено особенностями микроструктуры рассматриваемых композитов, включающих последовательно или параллельно соединенные друг с другом компоненты, резко различающиеся по своим электрическим свойствам, вследствие чего диэлектрические свойства материала могут подчиняться как аддитивным, так и обратно пропорциональным зависимостям и определяются не только количественным соотношением между компонентами, но и характером межфазных границ и контактов между ними.
Подобные зависимости ранее были известны для композитов на основе цианэтилового эфира поливинилового спирта с титанатом бария BaTiO3, модифицированного различными микродобавками (дисперсными оксидами, фуллеренолом, графеном, нанотрубками), способствующими усилению межфазных взаимодействий между компонентами. Экстремальный рост диэлектрической проницаемости коррелировал с содержанием специфических поверхностных центров на поверхности наполнителя.
Параметрами, количественно определяющими распределение наполнителя в матрице, являются фрактальные характеристики, такие как фрактальная размерность, отражающая степень самоподобия структуры и плотность упаковки, и лакунарность, характеризующая неоднородность структуры. — параметра, характеризующего неоднородность распределения частиц наполнителя в полимерной матрице
Целью исследования было экспериментальное установление взаимосвязи между диэлектрическими свойствами композита и его фрактальными характеристиками.
Объектом изучения была микроструктура композитов на основе олигомерного диизоцианата, применяемых в качестве модельных неподвижных фаз (сорбентов) в электрохроматографических капиллярных колонках и микрофлюидных чипах благодаря повышенной способности к селективному разделению анализируемых компонентов и регулированию скорости электроосмотического потока, высокой стабильности в широком диапазоне условий эксплуатации, высокоразвитой поверхности и возможности регулирования химического состава поверхности в широких пределах. Кроме того, олигомерный диизоцианат — это высокоэффективное химическое сырье, широко используемый для синтеза полиуретанов и полиизоциануратов во многих отраслях промышленности.
Порядок проведения исследования
Серию исследуемых композитов получали диспергированием субмикронных частиц BaTiO3 в матрице олигомерного диизоцианата в количестве 10, 20, 30, 40 и 50 об.%. Полученные композиции наносили на подложки из полидиметилсилоксана размером через фильеру с последующей сушкой. Затем на слои композита наносили электроды из контактола серебряного (токопроводящий клей), определяли емкость и тангенс диэлектрических потерь образцов с помощью измерителя иммитанса.
Микроструктуру полученных композитов исследовали методом конфокальной лазерной сканирующей микроскопии.
Полученные микрофотографии использовали для расчета фрактальных характеристик, разбив на квадратные сегменты с подсчетом числа частиц наполнителей в каждой из них (box counting):
- Разбиение исходной микрофотографии на квадратные ячейки с последующей бинаризацией изображения и подсчетом числа центров масс частиц в каждой ячейке.
- Расчет среднего числа центров масс частиц наполнителя в ячейках.
- Расчет стандартного квадратичного отклонения.
- Расчет лакунарности.
- Разбиение исходной микрофотографии на квадратные ячейки с последовательным уменьшением размера их ε с заданным шагом.
- Построение зависимостей числа ячеек, в которые попадает хотя бы один центр масс анализируемых частиц титаната бария, от размера ячеек ε в двойных логарифмических координатах, что позволяет линеаризовать рассматриваемую зависимость.
Таким образом можно рассчитать фрактальную размерность как модуль углового коэффициента, определяемого методом линейной аппроксимации. Фрактальная размерность характеризует плотность упаковки частиц, приближаясь к 2 по мере ее повышения на плоскости или к 3 в трехмерном пространстве.
Это отражает снижение однородности распределения наполнителя в полимерной матрице вследствие начала агломерации его частиц с образованием неоднородных по размерам ассоциатов, в частности цепочечных структур. При дальнейшем увеличении содержания BaTiO3 до 50 об.% фрактальная размерность снова возрастает вследствие формирования более упорядоченной структуры из относительно равномерно расположенных ассоциатов близкого размера. Полученные результаты коррелируют с рассмотренными выше резким снижением диэлектрической проницаемости и ростом диэлектрических потерь композитов при достижении содержания BaTiO3 30 об.%, обусловленными разупорядочением микроструктуры, и перспективны для прогнозирования целевых характеристик различных композиционных материалов.
Полученные результаты свидетельствуют о резком снижении диэлектрической проницаемости и ростом диэлектрических потерь композитов при достижении содержания BaTiO3 30 об.%, обусловленными разупорядочением микроструктуры, и перспективны для прогнозирования целевых характеристик различных композиционных материалов.