Κατασκευή και χαρακτηρισμός σύνθετων διηλεκτρικών υλικών: εφαρμογή σε εποξειδική ρητίνη με προσθήκη μικρο-σωματιδίων Al2O3

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία ερευνά τη διηλεκτρική συμπεριφορά του σύνθετου υλικού που κατασκευάστηκε με την προσθήκη κονίας τριοξειδίου του αλουμινίου (Al2O3), σε μήτρα εποξειδικής ρητίνης. Κατασκευάστηκαν πολλά δοκίμια, με διαφορετικό ποσοστό και σύσταση αλουμίνας, με σκοπό να εξετασθεί η επίδραση της διαφορετικής μορφολογίας των κόκκων πρόσμιξης αλλά και του ποσοστού πρόσμιξης, στα βασικά διηλεκτρικά χαρακτηριστικά του σύνθετου υλικού. Πιο συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν δύο τύποι αλουμίνας, μία σε μη-πορώδη και μία σε πορώδη μορφή. Αφού κατασκευάστηκαν τα δοκίμια, υποβλήθηκαν σε διηλεκτρικές μετρήσεις στις χαμηλές- βιομηχανικές συχνότητες (20Hz- 1MHz) και στη συνέχεια και στις υψηλές- τηλεπικοινωνιακές (1MHz- 1GHz). Μετρήθηκαν οι διηλεκτρικές ιδιότητες του υλικού, που είναι τόσο η μιγαδική διηλεκτρική σταθερά κ* αποτελούμενη από το πραγματικό μέρος (κ΄: σχετική διηλεκτρική σταθερά ή απλά διηλεκτρική σταθερά) και το φανταστικό μέρος (κ΄΄), όσο και η εφαπτομένη απωλειών (tanδ). Από τις μετρήσεις στις χαμηλές συχνότητες προκύπτει ότι, για το μη-πορώδες υλικό, η αύξηση του ποσοστού πρόσμιξης επιδρά στη διηλεκτρική σταθερά αυξάνοντας την τιμή της, αλλά δεν προκαλεί διαφοροποίηση στη τιμή της εφαπτομένης απωλειών. Στην περίπτωση της προσθήκης πορώδους αλουμίνας, το υλικό πλέον είναι ένα σύστημα αποτελούμενο από τρία συστατικά, αφού στους πόρους των κόκκων εγκλωβίζονται φυσαλίδες αέρα, και έτσι είναι πιο πολύπλοκος ο τρόπος με τον οποίο επιδρά η αύξηση του ποσοστού πρόσμιξης στα μετρούμενα διηλεκτρικά χαρακτηριστικά του σύνθετου υλικού. Στις μετρήσεις που έγιναν σε υψηλές συχνότητες, μιας και η τιμή της διηλεκτρικής σταθεράς δεν υπολογίζεται κατευθείαν από το μηχάνημα αλλά θεωρητικά, το κρίσιμο αποτέλεσμα είναι η εφαπτομένη απωλειών. Σε αυτό το εύρος συχνοτήτων, παρατηρείται, και για τα δύο είδη αλουμίνας που χρησιμοποιήθηκαν, ότι η αύξηση της συχνότητας λειτουργίας οδηγεί στη σταδιακή μείωση των απωλειών. Αυτό οφείλεται σε διηλεκτρικούς μηχανισμούς πόλωσης που παύουν πλέον να επενεργούν.

The present thesis investigates the dielectric behavior of a composite material, that was manufactured with the addition of aluminium oxide (Al2O3) powder, in an epoxy resin matrix. There were manufactured a lot of samples, with different mixture percentage and constitution of alumina, in order to examine the effect of different morphology of particles and the mixture percentage, in the basic dielectric characteristics of the composite material. More concretely, two types of alumina were used, a porous and a non- porous form. After manufacturing the samples, they were submitted in dielectric measurements in lowindustrial frequencies (20Hz- 1MHz) and afterwards and in high- radio frequencies (1MHz- 1GHz). Dielectric properties of the composite material, such us the complex dielectric constant k*, which constitutes from real part (k΄: relative dielectric constant or simply dielectric constant) and the imaginary part (k΄΄), and the loss tangent (tand), were measured. From the measurements in the low frequencies it results that, for the non-porous powder, the increase of mixture percentage causes increase in the dielectric constant, but does not affect the loss tangent. In the case of adding porous alumina, the material now consists of three components, including the bubbles of air that are entrapped in the pores of the particles, and thus, is more complicated to describe the way that the increase of mixture percentage results in the dielectric characteristics of the composite. In the measurements that were taken in high frequencies, because of the fact that the dielectric constant is not calculated straight by the instrument but theoretically, the important result is the loss tangent. In this frequency range, it is observed, for both of the forms of alumina that were used, that the increase of operating frequency leads to the progressive reduction of the losses. This is owed in dielectric mechanisms of polarization that cease henceforth to act upon.