Ferromagnetische Sr3YCo4O10 + δ- und rußverstärkte Polyvinylidenfluorid-Verbundwerkstoffe bei Raumtemperatur zur Hochleistungsabschirmung gegen elektromagnetische Interferenzen
Subodh Ganesanpotti
268-341 Minuten
(Quelle: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsomega.9b00454# )
Abstrakt
In dieser Studie haben wir erstmals Verbundwerkstoffe aus leitendem Ruß (CB), ferromagnetischem Sr3YCo4O10 + δ (SYCO) und Polyvinylidenfluorid (PVDF) bei Raumtemperatur durch das Lösungsmisch- und Koagulationsverfahren hergestellt. Während des Keimbildungsprozesses von PVDF erleichtert das Vorhandensein von SYCO und CB individuell die Kristallisation der polaren β- und semipolaren γ-Phasen zusammen mit der unpolaren α-Phase in PVDF. Die elektrische Gleichstromleitfähigkeit von PVDF stieg von 1,54 × 10–8 auf 9,97 S / m durch Zugabe von 30 Gew .-% % CB und ist in Bezug auf den SYCO-Gehalt nahezu konstant. Die PVDF / CB / SYCO-Verbundstoffe (PCS) besitzen eine hohe Permittivität und ihre Variation entspricht dem Gehalt an polaren Phasen in PVDF. Darüber hinaus zeigen die komplexen Permittivitäts- und Permeabilitätsspektren von 10 MHz bis 1 GHz, dass der dielektrische Verlust den magnetischen Verlust in diesen Verbundwerkstoffen bestimmt. Die Wirksamkeit der Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen (EMI SE) von PCS-Verbundwerkstoffen ist höher als die von PVDF / CB- und PVDF / SYCO-Verbundwerkstoffen im Bereich von 8,2 bis 18 GHz. Die Zugabe von SYCO in die PVDF / CB-Matrix verbessert die Abschirmung durch dominierte Absorption bei minimaler Reflexion. Die Analyse des Abschirmmechanismus legt nahe, dass zusätzlich zu den leitenden und magnetischen Verlusten aufgrund von CB bzw. SYCO die Synergie zwischen CB, SYCO und PVDF die Abschirmung fördert, indem die Eingangsimpedanz an die des freien Raums angepasst wird, wodurch mehrere interne Reflexionen von verstärkt werden SYCO und anschließende Absorption durch CB, Wirbelstromverluste, dielektrische Dämpfungsverluste, Grenzflächenpolarisationsverluste usw. Diese unterschiedlichen Mechanismen führen zu einer verbesserten EMI SE von 50,2 dB für den PCS-40-Verbundstoff bei einer Dicke von 2,5 mm.
Seit der elektronischen Revolution sind elektronische Geräte zu einem unverzichtbaren Bestandteil des Lebens eines gewöhnlichen Menschen geworden. Die rasche Zunahme der Verwendung solcher Geräte sowie von Instrumenten, die sich mit elektromagnetischen (EM) Wellen befassen, führt zu einem ernsthaften Problem der EM-Interferenz (EMI). Wissenschaftler haben ihre Aufmerksamkeit auf EMI gerichtet, als die Geräte kleiner und intelligenter wurden. Gegenwärtig werden in Bezug auf die Notwendigkeit und Anwendung unterschiedliche Frequenzen in den Mikrowellenfrequenzbändern für verschiedene Zwecke zugewiesen, insbesondere für die Kommunikation. Durch den weitgehenden Einsatz solcher EM-Geräte wird eine enorme Menge unerwünschter Energie in die Umgebung abgestrahlt. Aus diesem Grund sind alle Organismen sowie die Geräte der Strahlung ausgesetzt. Aufgrund dieser langfristigen Exposition gegenüber solcher Strahlung können nachteilige biologische Auswirkungen wie DNA-Bruch, Schwächung des biologischen Immunsystems, (1) Leukämie, Krebs (2,3) usw. und technologische Auswirkungen wie Fehlfunktionen von Geräten, Informationslecks und so weiter sind angetroffen. Die Abschirmung ist eines der besten Mittel, um das Problem der elektromagnetischen Störungen zu vermeiden oder vielmehr zu verringern, vor allem, da seine Wirksamkeit von der Leistung des als Abschirmung verwendeten Materials abhängt und weil es durch den Einsatz aktueller fortschrittlicher Technologien fein abgestimmt oder angepasst werden kann. (4− 8)
Die zugrunde liegenden Kriterien für die Auswahl eines wirksamen Abschirmmaterials beruhen nicht nur auf seiner Fähigkeit, die Geräte vor externen Streusignalen zu schützen, sondern auch auf seiner Fähigkeit, die Emissionen der Geräte auf einen niedrigeren Wert zu optimieren. Diese können entweder durch Reflektieren und / oder Absorbieren der EM-Energie erreicht werden. Die vorher auftretende Reflexion ist das Ergebnis signifikanter Wechselwirkungen von EM-Signalen mit den in den Abschirmmaterialien vorhandenen Ladungsträgern. Aus diesem Grund wird erwartet, dass die Abschirmmaterialien elektrisch leitend sind. Die Absorption, die als umweltfreundliche Methode zur Abschirmung von EM-Strahlung angesehen wird, erfolgt, sobald die Signale in die Abschirmung eintreten, als Folge der Wechselwirkung der Strahlung mit den darin enthaltenen elektrischen und magnetischen Dipolzäunen. (8) Um einzutreten Die Strahlung in das Material sollte eine an die Impedanz des freien Raums angepasste Eingangsimpedanz haben. Im Allgemeinen entsteht die EM-Energiedämpfung innerhalb der Materialien hauptsächlich aufgrund des dielektrischen Verlusts, des magnetischen Verlusts und ihres synergistischen Effekts. Der dielektrische Verlust hängt hauptsächlich vom Leitfähigkeitsverlust und Relaxationsverlust ab. Unter einem EM-Wechselfeld schwingen die an den defekten Stellen und Grenzflächen vorhandenen Dipole und führen zu einem Relaxationsverlust. In Heterostrukturmaterialien trägt die Maxwell-Wagner-Sillars-Polarisation (MWS) stärker zu Polarisationsverlusten bei. Der magnetische Verlust ergibt sich hauptsächlich aus der Magnetresonanz, dem Hystereseverlust, dem Wirbelstromverlust und den magnetischen Nacheffektverlusten. (2) Zusätzlich zu diesen tragen mehrere interne Reflexionen, die an den Grenzflächen oder Defektzentren innerhalb des Materials auftreten, zur EMI-Abschirmung bei . Den meisten Materialien, die die erforderlichen elektrischen und magnetischen Eigenschaften erfüllen, fehlt jedoch die mechanische Flexibilität, die ihre direkte Verwendung in EMI-Abschirmungsanwendungen verweigert. Unter solchen Umständen stellt die Zugabe geeigneter Polymermaterialien die mechanische Flexibilität, Kompressibilität usw. bereit und hilft zusätzlich, die Abschirmung in gewünschte Formen zu formen. Die Polymerauswahl richtet sich ausschließlich nach den eigenen Anforderungen. Somit kann ein effizientes Verbundmaterial hergestellt werden, indem ein oder mehrere Füllstoffe mit geeigneten elektrischen und magnetischen Eigenschaften zu einer geeigneten Polymermatrix gegeben werden.
Unzählige Kombinationen wurden mit unterschiedlichen Permutationen von Polymeren, leitenden Materialien und magnetischen Materialien für spezielle Anwendungen untersucht. Polyvinylidenfluorid (PVDF) ist ein technologisch vorherrschender Thermoplast mit den größten piezo- und pyroelektrischen Koeffizienten und einem hervorragenden chemischen und thermischen Widerstand. Isolierendes und nicht magnetisches PVDF wird häufig für EMI-Abschirmungsanwendungen verwendet, indem geeignete Füllstoffe mit diesen Eigenschaften hinzugefügt werden, da dies die zwingende Voraussetzung für die Dämpfung von EM-Wellen ist. PVDF existiert in fünf polymorphen Formen (α, β, γ, δ und ε), von denen α, β und γ die wichtigsten Formen sind. Eine unpolare α-Phase mit einer monoklinen Einheitszelle ist die üblicherweise vorhandene Phase mit trans-gauche (TGTG̅) -Kettenkonformation, während die hochpolare β-Phase, die zu einer orthorhombischen Einheitszelle kristallisiert, alle trans (TTTT) -Konformation aufweist. Das unter hohem Druck und hoher Temperatur gebildete semipolare γ-Polymorph weist ebenfalls eine orthorhombische Einheitszelle auf, weist jedoch eine T3GT3G̅-Kettenkonformation auf. Die verbleibenden zwei Phasen δ und ε sind die polaren und antipolaren Analoga der α- bzw. γ-Formen. (9-11) In jüngster Zeit werden aktive Forschungsstudien durchgeführt, um PVDF in der polymorphen β-Phase entsprechend seiner polaren Natur zu bilden Es eignet sich für piezoelektrische, pyroelektrische und dielektrische Anwendungen. Der Einbau von organisch modifiziertem Nanoton, (12) Graphenschichten, (13) funktionalisierten mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren, (9,14) Metallnanopartikeln (15,16) und Ferritnanopartikeln in die PVDF-Matrix wird häufig auf Methoden zur Erzielung einer β-Kristallisation zurückgeführt. Zum ersten Mal haben Deepa et al. untersuchten den Einfluss der Partikelgröße einer Doppelperowskitverbindung La0.5Sr0.5CoO3 - δ (LSCO) auf die Phasenkristallisation von PVDF und die daraus resultierenden dielektrischen Eigenschaften von PVDF / LSCO-Verbundwerkstoffen. (17) Obwohl Studien zur Variation von dielektrische Eigenschaften mit PVDF-Phasenänderung (18), deren Einfluss auf die EMI-Abschirmung bisher nicht untersucht wurde.
Das Hauptanliegen für einen guten magnetischen Füllstoff sind Ferritmaterialien aufgrund ihres besseren Magnetverlusts. Es wurden umfangreiche Studien zur EMI-Abschirmleistung von Polymerverbundwerkstoffen mit Ferritzusatz und zur Untersuchung ihrer Größen- und Formabhängigkeit von der Abschirmung durchgeführt. (19-24) Die meisten von ihnen zeigen eher einen dominierten Mikrowellenabsorptionsmechanismus als Reflexionen und sind daher für mikrowellenabsorbierende Materialien nützlich Anwendungen wie in der Radar-Stealth-Technologie. Die Herstellung von Hybridverbundwerkstoffen aus leitenden und magnetischen Materialien ist eine weit verbreitete Strategie zur Optimierung der Mikrowellenabsorptionsleistung und -bandbreite. Es gibt viele Berichte über Hybridmaterialien auf Graphenbasis, die mit verschiedenen Ferritmaterialien enthalten sind. NiFe2O4-Cluster in mit Stickstoff dotiertem Graphen (25) und Fe3O4-Verbundwerkstoffen mit reduziertem Graphenoxid (rGO) (26) sind Beispiele für solche Hybridmaterialien, die eine effektive Mikrowellenabsorption mit verbesserter Bandbreite zeigen. Obwohl die kobalthaltige Perowskitfamilie mit Sauerstoffmangel Mitglieder mit vergleichbaren magnetischen Eigenschaften umfasst, wird ihre EMI-Abschirmungseigenschaft am wenigsten untersucht. Dijith et al. (27) untersuchten die Mikrowellenabschirmungseigenschaften einer sauerstoffarmen Verbindung La0.5Sr0.5CoO3 - δ-Epoxy-Verbundwerkstoffe für Mikrowellenabschirmungsanwendungen. Einer der Hauptfaktoren, der ihre Anwendung einschränkt, ist ihre niedrigere Curie-Temperatur. Daher sind solche Materialien nicht für Anwendungen bei Raumtemperatur geeignet. (28) Cao et al. (29) synthetisierten einen blütenartigen Co3O4 @ rGO / SiO2-Verbundstoff zeigt Hochtemperatur-MA-Leistung. In den meisten magnetischen und leitenden Materialien, die Verbundwerkstoffe enthalten, fördert ihre Synergie neben dem leitenden und magnetischen Verlust auch die Mikrowellenabsorption. Es wurde gefunden, dass die Verbindung Sr3YCo4O10 + δ (SYCO) einen Ferromagnetismus mit der höchsten Übergangstemperatur (Tc = 335 K) im Vergleich zu anderen Kobaltoxidperowskiten zeigt. (30–33) Dabei werden A-Stellen von Sr2 + - und Y3 + -Ionen besetzt, während B. Stellen sind von Co-Ionen besetzt. Die verschiedenen Spinzustände von Co-Ionen aufgrund verschiedener Oxidationsstufen, des umgebenden Kristallfelds, der Koordinationszahl und des Typs benachbarter Ionen sind die unbestrittene Ursache für den beobachteten Magnetismus in dieser Verbindungsklasse. (34) In der vorliegenden Studie wurde eine effektive Mikrowellenabsorption durchgeführt Verbundwerkstoffe wurden durch Verstärkung von PVDF mit kostengünstigem leitendem Ruß (CB) und magnetischem SYCO durch einfaches Lösungsmischen und Koagulationsverfahren hergestellt. Die Verbesserung der Mikrowellenabsorption des Verbundmaterials durch Zugabe von SYCO und seines zugrunde liegenden Mechanismus wurde untersucht. Auch die Rolle des Einbaus von SYCO und CB bei der Phasenkristallisation von PVDF und seine Wirkung auf die EMI-Abschirmung wird ausführlich diskutiert.
Struktur und Morphologie
Die Kristallstruktur der synthetisierten Verbindung und der hergestellten Verbundstoffe wurde unter Verwendung von Röntgenbeugung (XRD) untersucht und die Muster sind in 1 angegeben. Die bei 33,0 °, 40,8 °, 47,4 °, 59,1 °, 69,5 ° und 79,1 ° sind den Reflexionen von (204), (224), (008), (228), (408) und (604) Ebenen von SYCO zugeordnet (ICDD: 01-078-4256). In den XRD-Mustern wurden keine Reflexionen beobachtet, die anderen Phasen entsprachen, was auf eine gute Kristallinität und Phasenreinheit der Verbindung hinweist. Die Muster können basierend auf der tetragonalen Kristallstruktur indiziert werden, wobei die I4 / mmm-Raumgruppe verfeinerte Gitterparameter a = 7,645 (4) Å und c = 15,348 (5) Å aufweist. Nach der Herstellung von Verbundwerkstoffen durch Mischen von SYCO in der PC-Matrix zeigt die relative Intensität der PVDF- und CB-Peaks eine allmähliche Abnahme, während die von SYCO eine allmähliche Zunahme zeigt. Dies legt den effektiven Einbau von SYCO in die PC-Matrix nahe, ohne dass während des Koagulationsprozesses Verluste auftreten können.
Abbildung 1
Abbildung 1. XRD-Muster von SYCO-, PVDF-, CB- und PCS-Verbundwerkstoffen.
Die Oberflächenmorphologie und Gleichmäßigkeit der Füllstoffdispersion in der Matrix wurden unter Verwendung einer Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FESEM) -Analyse untersucht. Die Oberflächenmorphologie von SYCO (Abbildung S1) zeigt, dass es eine agglomerierte Struktur mit unregelmäßigen Körnern bildet. SEM-Bilder einiger PCS-Verbundwerkstoffe sind in Abbildung 2 dargestellt. Die durch CB gebildeten verbundenen Netzwerke sind aus den Oberflächen- und Bruchflächenbildern von PC-, PCS-10- und PCS-40-Verbundwerkstoffen ersichtlich (Abbildung 2a - f). Auf der Oberfläche des Verbundwerkstoffs PCS-10 wird keine Partikelagglomeration beobachtet und ist gleichmäßig. Im Fall von maximal SYCO-beladenem Verbund PCS-40 enthalten die oberen Oberflächen jedoch SYCO-Partikel in Clusterform. Die gebrochene Oberfläche des gesamten untersuchten Verbundstoffs zeigt eine nahezu gleichmäßige Dispersion des Füllstoffs in der Polymermatrix an. Hier ist im Fall von Füllstoffen mit einer höheren Neigung zur Bildung von Aggregaten eine schnelle Koagulation ein wirksames Verfahren zur Lösungsmittelentfernung, da sie das Absetzen von Partikeln vermeiden kann, die während des Verdampfens des Lösungsmittels auftreten können.
Figur 2
Abbildung 2. REM-Aufnahmen der Oberflächen von (a) PC, (c) PCS-10, (e) PCS-40 und der gebrochenen Oberfläche von (b) PC, (d) PCS-10 und (f) PCS- 40 Verbundwerkstoffe.
Die XPS-Analyse zeigt das Vorhandensein von Co2 + - und Co3 + -Ionen als Oberflächenzustände im SYCO-Gitter mit einem Co3 + / Co2 + -Molverhältnis von 0,53. Die Spektren sind in Abbildung S2 dargestellt. Die Temperaturabhängigkeit der Magnetisierung und ihre isotherme Feldantwort werden unter Verwendung eines Vibrationsprobenmagnetometers (VSM) untersucht. Die Antwortkurve (Abbildung S3a, b) zeigt, dass die Verbindung einen Ferromagnetismus mit einer hohen Übergangstemperatur von 335 K aufweist. Die detaillierte Analyse der XPS-Spektren und der VSM-Antwortkurve finden Sie in den Hintergrundinformationen.
Identifizierung elektroaktiver Phasen
Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) und Weitwinkel-Röntgenstreuung (WAXS) werden häufig verwendet, um die kristallisierten Phasen in PVDF zu identifizieren. Es ist jedoch schwierig, α- und γ-Phasen von WAXS-Mustern zu unterscheiden. Ebenso sind einige FTIR-Modi sowohl für die β- als auch für die γ-Phase ähnlich. Daher ist die Kombination dieser beiden Techniken wesentlich, um die genaue Phasenbestimmung in PVDF zu identifizieren.
Die WAXS-Muster von schmelzgemischtem PVDF, PC, PCS-30 und PVDF mit 30 Gew .-% % SYCO (S: 30 Gew .-% %) sind in 3 gezeigt. Die beobachteten Beugungspeaks liegen bei etwa 17,9 °, 18,5 °, 20,2 °, und 26,5 ° 2 & thgr; -Winkel. Der intensive Reflexionspeak um 20 ° ist für α-, β- und γ-Phasen von PVDF üblich. Für die reine β-Form wird nur ein Peak bei 20,3 ° angegeben und den kombinierten Reflexionen aus seinen (110) - und (200) -Ebenen zugeschrieben. (17,35) Der beobachtete Peak um 26,5 ° ist eine charakteristische Reflexion des α Phase und ist in allen Verbundwerkstoffen vorhanden. In CB-haltigen Verbundwerkstoffen zeigt dieser Peak eine Verbreiterung aufgrund der Überlagerung von XRD aus (200) CB-Ebenen, die etwa 25,6 ° beträgt. (36) Von den beiden anderen Reflexionen ist eine bei 17,9 ° auf (100) zurückzuführen ) α-Ebenen und andere bei 18,5 ° können auf (020) α- und / oder γ-Ebenen zurückzuführen sein. (37) In Verbundwerkstoffen treten SYCO-Reflexionen bei 11,7 °, 21,0 ° und 23,4 ° (ICDD: 01-078-4256) auf SYCO enthaltend.
Figur 3
Abbildung 3. WACHS-Muster von PVDF, PC (C: 30 Gew .-% %), S: 30 Gew .-% % und PCS-30.
Die Verbundstoffe wurden unter Verwendung von abgeschwächter Gesamtreflexions-FTIR-Spektroskopie charakterisiert. Der individuelle Beitrag von SYCO und CB zur PVDF-Keimbildung ist in Abbildung 4a dargestellt. Für schmelzgemischtes PVDF stammen die starken Absorptionsbanden bei 483, 530, 613, 761, 795 und 976 cm - 1 aus der α-Phase. (9,10,13,18,35,37,38) Die Absorptionen bei 613 und 761 cm - 1 sind auf CF2-Biege- und Skelettbiegebewegungen in PVDF zurückzuführen und entsprechen bei 795 und 976 cm - 1 der CH2-Schaukelbewegung. Die Signaturabsorptionsbande der polaren β- und semipolaren γ-Phase bei 840 cm - 1 (CH2-Schaukel- und CF2-Streckbewegung) zeigt eine Intensitätszunahme mit SYCO-Zugabe von 20 auf 40 Gew .-% % und auch mit dem CB-Gehalt. Kürzlich wurde jedoch angenommen, dass diese Bande für γ-PVDF als Schulterbande von 833 cm - 1 erscheint. (35) Eine andere Bande, die auch β- und γ-Phasen darstellt, liegt bei 510 cm - 1 und zeigt einen Anstieg mit SYCO-Zusatz, jedoch ohne nennenswerte Abweichung vom CB-Gehalt. Die Absorptionsintensität bei 1232 cm - 1, die der γ-Phase entspricht, nahm mit SYCO und CB zu, und auch die Absorption bei 1275 cm - 1 ergibt sich aus der CH2-Wackelbewegung, die ausschließlich die mit CB und SYCO erhöhte β-Phase charakterisiert. Diese Beobachtungen zusammen mit der Verringerung der Intensität der α-Absorptionsbanden bei 530, 613, 761 und 795 cm - 1 mit Füllstoffbeladung legen auch nahe, dass diese beiden Füllstoffe die Keimbildung der polaren β-Phase und der semipolaren γ-Phase in PVDF einzeln erleichtern. Die Intensität der 871 cm - 1-Absorption variiert aufgrund der CF-CF-CH-CF-Biegebewegung nicht wesentlich, verschiebt sich jedoch aufgrund spezifischer Wechselwirkungen mit der Füllstoffbeladung auf 875 cm - 1. (39)
Figur 4
Figure 4. FTIR-Spektren von (a) PVDF mit variierendem Gewicht % von CB und SYCO sowie (b) PCS-Kompositen.
Mechanische Eigenschaften
Abbildung 5a zeigt die Spannungs-Dehnungs-Kurve für die bei Raumtemperatur untersuchten PCS-Verbundwerkstoffe. Der Elastizitätsmodul, die Bruchdehnung, die Zugfestigkeit und die Zähigkeit der Materialien werden aus den Spannungs-Dehnungs-Diagrammen berechnet und sind in Abbildung 5b - d dargestellt. Der Elastizitätsmodul der Verbundstoffe nimmt mit dem SYCO-Gehalt zu, dh die Spannung, die erforderlich ist, um eine Einheitsdehnung in den Verbundstoffen zu erzeugen, nimmt mit zunehmendem Füllstoffgehalt zu. Dies kann auf die kompaktere Natur der Verbundwerkstoffe zurückzuführen sein, bei denen während des Heißpressens eine höhere Füllstoffbeladung auftrat. Aus dem Balkendiagramm ist ersichtlich, dass die Zugfestigkeit der Verbundstoffe mit dem SYCO-Gehalt zunimmt, die Bruchdehnung jedoch mit der Konzentration von SYCO abnimmt. Diese Beobachtungen sind auch auf die Steifheit der Verbundwerkstoffe zurückzuführen. Der abnehmende Wert der Zähigkeit mit dem SYCO-Gehalt kann auf das Fehlen von Grenzflächenbereichen zurückgeführt werden, die die angelegte Spannung auf die Verbundwerkstoffe übertragen können. (9) Der im Vergleich zu anderen Berichten verringerte Wert des Youngschen PVDF-Moduls kann auf die Verarbeitungsbedingungen zurückzuführen sein wie Druck, Temperatur und Zeitdauer.
Abbildung 5
Figure 5. (a) Spannungs-Dehnungs-Diagramm, (b) Elastizitätsmodul, (c) Zähigkeit und Zugfestigkeit und (d) Bruchdehnung von PCS-Verbundwerkstoffen.
Elektrische Leitfähigkeit
Die elektrische Leitfähigkeit eines Materials spielt eine positive Rolle für seine EMI-Abschirmleistung. Wenn der Inhalt eines leitenden Füllstoffs die elektrische Perkolationsschwelle erreicht, bildet er ein leitendes Netzwerk. Hier ergibt sich die Leitfähigkeit der Verbundwerkstoffe aus CB und es ist wichtig zu bestimmen, ob die Leitfähigkeit auch nach der Zugabe von SYCO erhalten bleibt. Um dies zu untersuchen, wird die Gleichstromleitfähigkeit bei Raumtemperatur untersucht und ist in Abbildung 6 dargestellt. Der Gleichstromleitfähigkeitswert von reinem PVDF beträgt 1,54 × 10–8 S / m und wird durch Zugabe von 30 Gew .-% % auf 9,97 S / m erhöht von CB (PC) und bleibt mit dem SYCO-Gehalt nahezu unverändert. Wenn 40 Gew .-% % SYCO (PCS-40) zu PC gegeben werden, zeigt der Leitfähigkeitswert eine leichte Abnahme auf 8,46 S / m. Damit ein Material für die EMI-Abschirmung geeignet ist, sollte seine elektrische Volumenleitfähigkeit mindestens 1 S / m betragen. (40,41) Hier erreicht das CB-Netzwerk diesen Grenzwert.
Abbildung 6
Figure 6. Gleichstromleitfähigkeit von PCS-Verbundwerkstoffen.
Dielektrische und magnetische Eigenschaften
Die Permittivität und Permeabilität von Materialien bestimmen ihre Reaktion im EM-Bereich. Die Absorption der EM-Welle durch ein Material steht in direktem Zusammenhang mit seiner komplexen Permittivität & egr; r = & egr; '- j & egr;' 'und der komplexen Permeabilität & mgr; r = & mgr;' - j & mgr; ''. Der Realteil der Permittivität (ε ') und Permeabilität (μ') erklärt das Energieeinschränkungspotential des Materials, während der Imaginärteil dieser beiden Größen (ε "und μ") die Energiedissipation ergibt.
Die Frequenzdispersionskurve der Permittivität und Permeabilität im Frequenzbereich von 10 MHz bis 1 GHz bei Raumtemperatur ist in Abbildung 7a, b dargestellt. Das ε 'des PC-Komposits ist etwa 102-mal höher als das von PVDF. Dieser plötzliche Anstieg der Permittivität kann auf die im Vergleich zu PVDF erhöhte Leitfähigkeit des PC-Verbundwerkstoffs zurückgeführt werden. Die Variation der Permittivität mit SYCO-Zugabe ist auf zwei Gründe zurückzuführen: Zum einen auf die durch CB und SYCO induzierten kristallisierten polaren Phasen von PVDF und zum anderen auf die MWS-Polarisation. Der zweite Grund ist der Hauptgrund für die Verbesserung der Permittivität in heterogenen Systemen, die mit dem Einfangen von freien Ladungsträgern an den Grenzflächen von Füllstoffen und Matrizen aufgrund des Kontrasts in ihrer elektrischen Leitfähigkeit zusammenhängt. (42,43) Die abnehmende Permittivität mit der Frequenz ist, weil bei hohen Frequenzen die Polarisationen nicht den Variationen des angelegten EM-Signals folgen können. (44) In diesem Fall ist die Permittivität von PC höher als die von PVDF mit 10 Gew .-% % CB, da das erstere mehr Gehalt an hat polare Phasen und Leitfähigkeit als letztere (Abbildung S4). Im Fall von PCS-Verbundwerkstoffen weist PCS-10 eine hohe relative Permittivität auf als andere Verbundwerkstoffe, da es mehr polare Phasen enthält, was aus FTIR und einer geringeren Agglomeration im Vergleich zu anderen Verbundwerkstoffen hervorgeht, wie aus SEM-Bildern hervorgeht. Hier kann die Agglomeration die Permittivität auf zwei Arten beeinflussen: Zum einen durch Teilen eines Teils der Energie, die für die Neuorientierung von PVDF-Ketten zur Bildung polarer Phasen zur Verfügung steht, und zum anderen durch Zerstörung der ursprünglichen Leiterisolatorgrenzen. (43) Die relative Permittivität von PVDF wird nur von SYCO allein leicht beeinflusst (Abbildung S5). Der Verbundstoff mit 30 Gew .-% % SYCO (S: 30 Gew .-% %) weist aufgrund eines subtilen Gleichgewichts zwischen der Polarität von PVDF und der Agglomeration von SYCO eine hohe Permittivität als andere PVDF / SYCO-Verbundstoffe auf. Der Imaginärteil der Permittivität und sein Tangens des dielektrischen Verlusts zeigen den gleichen Frequenzgang wie für die reale Permittivität beobachtet. Der höhere dielektrische Verlust der PCS-Verbundwerkstoffe resultiert aus dem ohmschen Verlust und dem Polarisationsverlust. Im Allgemeinen bestimmen die ohmschen Verluste die Polarisationsverluste im leitenden System. (42) Bei diesem perkolativen Verbundsystem ist der höhere Wert des dielektrischen Verlusts auf die hohe Leitfähigkeit zurückzuführen, und die beobachteten Schwankungen sind auf den Polarisationsverlust zurückzuführen, der sich aus den erhöhten Grenzflächen ergibt und der polare Phasengehalt in PVDF. Für das heißgepresste PVDF / MWCNTs / BaTiO3-System (3,0 / 37,1 Vol. %), das nach der Methode der mischbaren und nicht mischbaren Koagulation hergestellt wurde, weist es eine reale Permittivität und einen dielektrischen Verlust von 71,7 bzw. 0,045 bei einer Frequenz von 1000 Hz (45) und für PVDF / funktionalisierte Graphen-BaTiO3-Verbundwerkstoffe (1,25 / 30 Vol. %), hergestellt durch zweistufiges Mischen der Lösung und anschließendes Heißpressen, eine reale Permittivität von 65 und einen Verlust von 0,35 bei einer Frequenz von 1 MHz. (46) Hier konnten wir a erreichen Die reale Permittivität von 617,1 und ein dielektrischer Verlust von 6,09 für 30 Gew .-% % des CB-zugesetzten Verbundstoffs und für PCS-30 betragen 454,0 bzw. 27,6 bei 10 MHz.
Abbildung 7
Figure 7. (a) Realteil und (b) Imaginärteil der Permittivität, (d) Realteil und (e) Imaginärteil der Permeabilität, (c) Tangens des dielektrischen Verlusts und (f) Tangens des magnetischen Verlusts von PCS-Verbundwerkstoffen aus 10 MHz bis 1 GHz.
Fig. 7d, e zeigen die komplexen Permeabilitätsspektren von PCS-30- und PCS-40-Verbundstoffen. Die μ "- und tan δμ-Diagramme, die P und PC entsprechen, werden hier aufgrund des Fehlens der magnetischen Komponente SYCO in ihnen vermieden. Die Beiträge zur komplexen Permeabilität ergeben sich hauptsächlich aus der bei niedrigen Frequenzen auftretenden Domänenwandbewegung und der bei hohen Frequenzen vorherrschenden Spinrotation. (47) Hier nimmt die reale und imaginäre Permeabilität über 100 MHz hinaus mit der Frequenz zu. Die dielektrischen und magnetischen Verluste werden als Verlusttangenten tan δε = ε "/ ε 'bzw. tan δμ = μ" / μ' ausgedrückt, und Fig. 7c, f zeigt die Variation dieser Größen mit der Frequenz. Die höheren Werte von tan & dgr; & egr; im Vergleich zu tan & dgr; & mgr; zeigen an, dass der Verbundstoff einen höheren dielektrischen Verlust als einen magnetischen Verlust besitzt. Für die Mikrowellenabsorption ist es sehr wichtig, dass diese beiden Verluste kompatibel sind. In diesem Fall wird die Mikrowellenabsorption hauptsächlich durch dielektrischen Verlust und nicht durch magnetischen Verlust verursacht.
EMI-Abschirmungseigenschaften und -mechanismus
Die EMI-Abschirmwirkung (EMI SE) eines Materials beschreibt seine Fähigkeit, die Energie der EM-Strahlung zu dämpfen. Der Abschirmmechanismus umfasst hauptsächlich Reflexion, Absorption und mehrfache interne Reflexion. Bei Materialien mit dominierter Absorption oder einer Dicke, die größer als die Hauttiefe ist, wird die Energie mehrerer reflektierter Signale vom Material absorbiert. In solchen Fällen wird die EMI SE aufgrund mehrfacher interner Reflexion ignoriert. (48,49) Die von EM-Strahlung absorbierte Energie wird im Allgemeinen in Wärmeenergie umgewandelt. (50,51) Die EMI SE-Werte aufgrund von Absorption (SEA) werden ebenfalls berücksichtigt als Reflexionen (SER) können aus den Reflexions- und Transmissionsstreuparametern (S11, S22 und S12, S21) unter Verwendung der Relationen (8,52) (1) (2) (3) berechnet werden.
Hier ist SET die gesamte SE.
Für kommerzielle Anwendungen ist ein SET-Wert von über 20 dB erforderlich, was bedeutet, dass das Material 99% der einfallenden EM-Welle abschwächen kann. (53) Die Abhängigkeit der SEs von der Frequenz der X- und Ku-Bandbereiche für PCS-Verbundwerkstoffe mit einer Dicke von 2,5 mm beträgt in Abbildung 8a dargestellt.
Abbildung 8
Abbildung 8. (a) Gesamt-EMI SE von PCS-Verbundwerkstoffen im X- und Ku-Bandbereich und (b) Durchschnittswerte von SER, SEA und SET von PCS-Verbundwerkstoffen.
Das reine PVDF hat einen durchschnittlichen SET-Wert von 1,3 dB und ein mit 30 Gew .-% % CB versetztes PVDF-Komposit überschreitet den Grenzwert von 20 dB mit einem durchschnittlichen SET-Wert von 29,0 dB, was einer 99,9%-Blockierung der einfallenden EM-Welle entspricht. Diese abrupte Änderung des Abschirmwertes ist hauptsächlich auf die Leitfähigkeit von CB zurückzuführen. Ein konstanter Wert von SE wird im gesamten Frequenzbereich beobachtet, selbst für den Verbundstoff mit einer höheren Beladung mit SYCO. Dies spezifiziert die Tatsache, dass trotz des SYCO-Gehalts eine ausgezeichnete Homogenität und Regelmäßigkeit in den Verbundwerkstoffen erhalten bleibt, was durch die in 6 gezeigten Leitfähigkeitsstudien gestützt wird.
Die EMI-Abschirmleistung von PVDF / SYCO-Verbundwerkstoffen mit einer Dicke von 1,8 mm und die Frequenzdispersionskurve von EMI SE in den beiden Regionen sind in Abbildung S6a angegeben. Die Abschirmleistung von PVDF / SYCO-Verbundwerkstoffen beträgt weniger als 5 dB. Der Hauptbeitrag zur Gesamtabschirmung beruht auf der Reflexion von EM-Wellen am Abschirmmaterial, und der Absorptionswert bleibt nahezu konstant (Abbildung S6b). Der Reflexionsmechanismus in diesen Verbundwerkstoffen hängt mit der Nichtübereinstimmung der Eingangsimpedanz der Verbundwerkstoffe mit der Freiraumimpedanz zusammen. (54,55)
Bei PCS-Verbundwerkstoffen beruht der Hauptbeitrag zur Abschirmung eher auf der Absorption als auf der Reflexion, die für alle Verbundwerkstoffe nahezu konstant bleibt (Abbildung 8b). Das PC-Komposit selbst hat einen EMI-SE-Wert von 29,0 dB, wobei 20,0 dB auf Absorption und 9,0 dB auf Reflexion zurückzuführen sind, und für das PCS-40-Komposit trägt die Absorption vom gesamten SE-Wert von 50,2 dB 41,2 dB bei und Reflexion trägt 9,0 dB bei. Der dominierende Absorptionsmechanismus in PCS-Verbundwerkstoffen zeigt an, dass die Eingangsimpedanzwerte der Verbundwerkstoffe nahe an der Impedanz des freien Raums liegen, so dass ein maximales EM-Signal in das Material eintreten kann. (56) Die Umkehrung des dominierten Abschirmmechanismus von Reflexion zu Absorption von PVDF / SYCO-Verbundwerkstoffe zu PCS-Verbundwerkstoffen legen nahe, dass die Synergie zwischen dem dielektrischen und dem magnetischen Verlust wesentlich ist, um die maximale Eingangsimpedanzanpassung mit der Freiraumimpedanz zu erreichen. Sobald das Signal in das Material eintritt, wird die Energie des Signals aufgrund unterschiedlicher Mechanismen absorbiert, die sich aus den einzelnen Füllstoffen und ihrer synergistischen Wirkung ergeben. Dies führt zu stark verbesserten EMI-SEs des PCS-Komposits mit dem erhöhten Gehalt an SYCO (Abbildung 8a).
In PCS-Verbundwerkstoffen tragen das Dielektrikum, die magnetischen Verluste und ihre Synergie zur Dämpfung der EM-Energie bei. Die Permittivitäts- und Permeabilitätsstudien zeigen, dass die Verbundmaterialien einen dielektrischen Verlust als einen magnetischen Verlust vorschreiben. Nach der Debye-Theorie repräsentiert der Imaginärteil der Permittivität (ε ") sowohl den Polarisationsverlust als auch den Leitungsverlust. (57) Hier zeigt die hohe Leitfähigkeit der PCS-Verbundwerkstoffe, dass der Hauptbeitrag zur Energiedämpfung auf das Vorhandensein zurückzuführen ist von nomadischen Elektronen in leitendem CB und dies existiert immer noch in allen Verbundwerkstoffen mit unterschiedlichem Gewicht % von SYCO, daher wird der Einbau von SYCO keine Diskontinuitäten in dem durch CB gebildeten leitenden Perkolationsnetzwerk bilden, wie aus den Gleichstromleitfähigkeitsstudien hervorgeht (Abbildung) 6).
Der zweite Beitrag zur Mikrowellenabsorption in den Verbundwerkstoffen beruht auf den Polarisationsverlusten, die sowohl aus Grenzflächenpolarisationsverlusten als auch aus dipolaren Relaxationsverlusten bestehen. Mit zunehmendem Gehalt an SYCO wird die Grenzflächenpolarisation stärker hervorgehoben. Dann kann MWS-Polarisation an den Grenzflächen aufgrund der wandernden und hüpfenden Elektronen auftreten. (58) Darüber hinaus zeigen die WAXS- und FTIR-Studien, dass der Einbau von SYCO und CB in PVDF die polare β- und semipolare γ-Phasennukleation in der Polymer und dieser polare Phasengehalt im Verbundwerkstoff können auch als Ladungseinfangzentren wirken und die Grenzflächenpolarisationsverluste erhöhen. Es gibt auch Wechselwirkungen von polaren Fluoratomen in PVDF mit den Oberflächen von SYCO- und CB-Körnern. Diese spezifische Wechselwirkung bewirkt einen dämpfenden Effekt, wenn diese Dipole mit EM-Strahlung interagieren und dipolare Relaxationsverluste verursachen. Daher sind die polaren Phasen in PVDF für die Absorption von EM-Energie vorteilhaft. (59)
Zusätzlich zum dielektrischen Verlust sind magnetische Eigenschaften für die Dämpfung der EM-Energie günstig. (60,61) Hier ergibt sich die fortschreitende Abschirmleistung bei SYCO-Belastung aus den natürlichen Resonanzverlusten in SYCO aufgrund der durch die Orientierung erzeugten Zeitverzögerung der Magnetisierung von magnetischen Momenten sowie Domänenwandbewegung hinter dem Magnetfeld. Der magnetische Verlust könnte auch aus dem Wirbelstromverlust entstehen. Da das Vorhandensein eines durch CB gebildeten leitenden Netzwerks die EM-Energie durch Wirbelstromverlust reduzieren kann. Zusätzlich zu diesen individuellen Beiträgen zur EM-Energieabsorption verbessert die Synergie zwischen SYCO und CB auch die Mikrowellenabsorptionsleistung in PCS-Verbundwerkstoffen. Ihr kombinierter Effekt kann folgendermaßen erklärt werden: Die SYCO-Partikel in den Verbundwerkstoffen verursachen Mehrfachreflexionen der Strahlung im Inneren, wodurch CB mehr Zeit hat, die EM-Energie zu absorbieren. In den REM-Bildern der Bruchfläche der Verbundwerkstoffe ist klar, dass die von den SYCO-Partikeln reflektierte Strahlung in die leitenden Bereiche von CB abgestrahlt wird. Die möglichen Mechanismen, die zur Abschirmleistung beitragen, sind in Abbildung 9 schematisch dargestellt. Diese verschiedenen Mechanismen führen zu einer maximalen SE von 50,2 dB für das PCS-40-Komposit mit einer Dicke von 2,5 mm, wodurch etwa 99,9991% der einfallenden EM-Strahlung innerhalb der abgeschirmt werden können Frequenzbereich 8,2–18 GHz. Die EMI SE einiger Polymerverbundwerkstoffe, die Kohlenstoffmaterialien wie CNTs und Graphen- und Eisenoxide mit dem vergleichbaren Füllstoffgehalt enthalten, ist in Tabelle 1 aufgeführt. Hier zeigen kostengünstige leitende CB- und ferromagnetische SYCO-verstärkte PVDF-Verbundwerkstoffe im Vergleich zu anderen eine Hochleistungs-EMI-Abschirmung Verbundwerkstoffe.
Abbildung 9
Figure 9. Mechanismus der EM-Energiedämpfung durch PCS-Verbundwerkstoffe.
Tabelle 1. EMI-SEs einiger Polymer-Verbundwerkstoffe auf Kohlenstoffbasis und mit magnetischen Füllstoffen
Material Füllstoffgehalt (Gewicht %) Dicke (mm) EMI SE (dB) refs
WPU / CNT 76,2 2,3 35 (62)
Cellulose / CNT 33 0,64 30 (63)
PS / Graphenschaum 30 2,5 29,3 (68)
PMMA / CNT 20 4,5 30 (64)
PVDF / CB 30 2.5 29 diese Arbeit
PVA / rGO / δ-Fe 2 O 3 40 0,36 20,3 (65)
PANI / rGO / Fe 3 O 4 66 2,5 30 (66)
PANI / rGO / γ-Fe 2 O 3 75 2,5 51 (67)
PVDF / CB / SYCO 40 2.5 38.3 diese Arbeit
PVDF / CB / SYCO 50 2.5 45.4 diese Arbeit
PVDF / CB / SYCO 60 2.5 48.3 diese Arbeit
PVDF / CB / SYCO 70 2.5 50.2 diese Arbeit
Die Absorptionseigenschaft hängt hauptsächlich von der Dicke des Schildes (d) und der Hauttiefe (t) ab, die Beziehung ist wie folgt (6) (4)
Die Hauttiefe ist definiert als der Abstand von der Oberfläche des Schildes, bei dem die EM-Energie auf das 1 / e-fache der einfallenden Energie abnahm. Die Variation der Hauttiefe mit der Häufigkeit für PCS-Verbundwerkstoffe ist in 10 gezeigt. Aus den SEA-Werten ergibt sich ein Durchschnittswert der für das PCS-40-Verbundwerkstoff erhaltenen Hauttiefe von 0,53 mm. Die Abschirmung durch Absorption hängt von ihrer Dicke ab und sollte größer als die Hauttiefe sein. Ein weiterer Faktor, der berücksichtigt werden muss, ist die Dichte des Materials. Die spezifische SE (SSE) ist ein normalisierter Wert, der die Dicke und Dichte des Materials berücksichtigt und wie folgt erhalten werden kann (8) (5)
Abbildung 10
Abbildung 10. Frequenzgang der Hauttiefe von PCS-Verbundwerkstoffen.
Die hohe SSE ist die Signatur eines Materials, um eine bessere Abschirmung bei minimaler Dicke mit geringerer Dichte zu erzielen. Für PC und PCS-40 betragen die SSE-Werte 82 bzw. 113 dB cm2 g - 1. Hier sind die erreichten SSE-Werte höher als die angegebenen Werte für Graphen / Polystyrol-Verbundwerkstoffe mit 30 Gew .-% % funktionalisiertem Graphen mit einer Dicke von 2,5 mm. (68) Die Durchschnittswerte für Abschirmung, Abschirmungseffizienz und SSE von PCS-Verbundwerkstoffen sind in der Tabelle aufgeführt S1.
Hier ist der PCS-Verbundstoff ein magnetisch-dielektrischer Verbundwerkstoff mit einer kompetitiven Synergie zur Verbesserung der EM-Energiedämpfung. Da der dielektrische Verlust auf die Leitungs- und Relaxationsverluste zurückzuführen ist, wird die EM-Energieumwandlungsleistung durch Ladungstransport und Relaxation beigetragen. Ebenso umfasst der magnetische Energieverlust die Leistungsumwandlung aus Hystereseverlust, Wirbelstromverlust und Restverlust. (69) Diese konkurrierende Synergie spielt eine bedeutende Rolle bei der Energiegewinnung und -umwandlung. Eine systematische Untersuchung der temperaturabhängigen EMI-Abschirmungseigenschaften ist erforderlich, um die Wellendämpfung und Energieumwandlung in PCS-Verbundwerkstoffen zu verstehen.
Zusammenfassend haben wir PVDF-Verbundwerkstoffe hergestellt, die mit CB und ferromagnetischem Sr3YCo4O10 + δ (SYCO) bei Raumtemperatur durch ein einfaches Lösungsmisch- und Koagulationsverfahren verstärkt wurden. Es ist ein sehr effektives Verfahren zur Herstellung homogener Verbundwerkstoffe aus Materialien mit großer Partikelgröße und höherer Neigung zur Bildung von Aggregaten. Die polaren β- und semipolaren γ-Phasen von PVDF, die während des Keimbildungsprozesses in Gegenwart von CB und SYCO gebildet werden, wirken sich auf die dielektrischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe aus. Darüber hinaus bleiben die elektrischen Leitfähigkeiten der PCS-Verbundwerkstoffe auch bei höchster SYCO-Belastung nahezu konstant. Der diktierende dielektrische Verlust gegenüber dem magnetischen Verlust, die leitenden Verluste von Verbundwerkstoffen sowie andere Mechanismen, die sich aus der Synergie zwischen den Füllstoffen und der Matrix ergeben, führen zu beeindruckenden EM SEs von 50,2 dB; Davon stammen 41,2 dB aus der Absorption von EM-Energie durch das Material. Diese Studie kann auch auf andere Matrixmaterialien ausgedehnt werden, um andere physikalische Eigenschaften wie Flexibilität, Kompressibilität usw. zu erzielen. Daher kann dieser Verbundstoff als effiziente Mikrowellenabsorber in radarabsorbierenden Materialien und auch für militärische Anwendungen verwendet werden.
Materialien
PVDF (durchschnittliches Mw = 534 000 von GPC) wurde von Sigma-Aldrich Co. USA gekauft. Das organische Lösungsmittel N, N-Dimethylformamid (DMF) (≥ 99,81 TP1T) wurde von Merck Life Science Private Limited, Mumbai, gekauft. Ruß (Ruß, Acetylen, 50% komprimiert, Reinheit 99,9+ % und SA 75 m2 / g) und Kobalt (II, III) oxid (99,7%) wurden von Alfa-Aesar USA bezogen. Strontiumcarbonat (99,91 TP1T) und Yttrium (III) -oxid (99,99%) wurden von Sigma-Aldrich, USA, gekauft. Alle Chemikalien wurden wie erhalten ohne weitere Behandlung verwendet.
Probenvorbereitung
Sauerstoffarmes Doppelperowskit Sr3YCo4O10 + δ (SYCO) wurde auf einem Festkörperkeramikweg synthetisiert und eine Kalzinierungstemperatur von 1050 ° C für 15 Stunden wird verwendet. Das Syntheseverfahren ist in den Hintergrundinformationen angegeben. CB- und SYCO-verstärkte PVDF-Verbundstoffe wurden durch Lösungsmischen und schnelles Koagulationsverfahren hergestellt, das schematisch in 11 gezeigt ist. PVDF-Pulver wurde in DMF gelöst und die erforderlichen Gewichtsprozente der Füllstoffe wurden gleichmäßig in DMF dispergiert. Dann wurden diese Lösungen durch magnetisches Rühren für 12 Stunden gut gemischt und dann unter Verwendung von destilliertem Wasser als Antilösungsmittel koaguliert. Das koagulierte Produkt wurde mehrmals mit destilliertem Wasser gewaschen und dann bei 75 ° C in einem Heißluftofen getrocknet. Die getrockneten Verbundstoffe wurden dann bei 250ºC Temperatur zu rechteckigen Pellets mit den Abmessungen 22,86 × 10,16 mm (für die X-Band-Messung) und 15,79 × 7,89 mm (für die Ku-Band-Messung) unter einem Druck von 1 MPa, der 1 Stunde lang angewendet wurde, heißgepresst . Zylindrische Pellets mit einem Durchmesser von 15 mm und einer Dicke von 2,5 mm wurden durch Heißpressen bei gleichen Temperatur- und Druckbedingungen für Permittivitätsmessungen hergestellt, und toroidförmige Pellets mit einem Innendurchmesser von 6,7 mm, einem Außendurchmesser von 15 mm und einer Dicke von 2,5 mm wurden zur Permeabilitätsmessung verwendet . Die zugewiesenen Probencodes sind P (für PVDF), PC (für 30 Gew .-% % CB in der PVDF-Matrix) und PCS-m (m = 10–40, Gew .-% % von SYCO in der PC-Matrix).
Abbildung 11
Figure 11. Darstellung des Lösungsmisch- und Koagulationsverfahrens zur Herstellung von Verbundwerkstoffen.
Charakterisierungen
XRD-Untersuchungen von SYCO- und PCS-Verbundwerkstoffen wurden mit einem Bruker D8 ADVANCE-Diffraktometer (40 kV, 40 mA) unter Verwendung von Cu Kα-Strahlung (λ = 1,5406 Å) mit einem Nickelfilter und einem Lynxeye-Positionsdetektor im θ - 2θ-Scanmodus durchgeführt. Die verschiedenen Oxidationsstufen von Co-Ionen in SYCO wurden unter Verwendung eines Thermo Scientific ESCALAB-Röntgenphotoelektronenspektrometers mit Al Kα-Strahlung (1486,6 eV) als Anregungsquelle und einem zweikristall: mikrofokussierten Monochromator identifiziert. Die Temperaturabhängigkeit der Magnetisierung in SYCO und der isothermen Magnetfeldantwort bei 300 K von SYCO und PCS-30 wurde unter Verwendung von Quantum Design Versa Lab PPMS VSM gemessen. Morphologische Charakterisierungen wurden mit einem FEI-Nova nanoSEM 450-Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop mit einem Strahlpotential von 10 kV durchgeführt. Die Identifizierung der PVDF-Phase in Verbundwerkstoffen wurde unter Verwendung von FTIR-Spektren durchgeführt, die mit einem PerkinElmer-Grenz-FT-IR / Ferninfrarot-Spektrometer mit einer Auflösung von 2 cm - 1 und 44 Scans im mittleren IR-Bereich und WAXS-Mustern aufgenommen wurden. WAXS-Messungen im Übertragungsmodus wurden auf einem XEUSS SAXS / WAXS-System unter Verwendung einer GeniX-Mikrosource von Xenocs durchgeführt, die bei 50 kV und 0,6 mA betrieben wurde. Dabei wurde die Cu-Kα-Strahlung (λ = 1,54 Å) mit dem FOX2D-Spiegel kollimiert und zwei Paare streuungsfreier Schlitze aus Xenocs und 2D-Mustern wurden auf einer Mar345-Bildplatte aufgezeichnet und mit der Fit2D-Software verarbeitet. Der Abstand von Probe zu Detektor wurde mit dem Silberbehenat-Standard kalibriert. Zugversuche wurden für die heißgepressten Proben unter Verwendung einer Universalprüfmaschine (Instron-Modell; 1195-5500R) bei einer Dehnungsrate von 1 mm / min bei Raumtemperatur durchgeführt. Die Experimente wurden für jedes Komposit viermal wiederholt und die Durchschnittswerte sind angegeben. Die Gleichstromleitfähigkeit der Verbundwerkstoffe bei Raumtemperatur wurde mit der Zwei-Sonden-Methode unter Verwendung der Keithley 2400 Source gemessen. Die Permittivität und Permeabilität der Verbundwerkstoffe im Frequenzbereich von 10 MHz bis 1 GHz wurde unter Verwendung eines Impedanzanalysators Keysight E4991B analysiert. Die Permittivitätsmessungen wurden unter Verwendung einer 16453A-Testvorrichtung durchgeführt, nachdem die Restimpedanz verringert und die Vorrichtung durch Durchführen einer offenen / kurzen Kalibrierung bzw. einer Lastkompensation kalibriert worden war. Die Permeabilitätsmessungen wurden unter Verwendung einer 16454A-Testvorrichtung nach Unterbrechung / Kurzschluss und Lastkompensation durchgeführt. Die EMI-SE-Werte in den Bandbereichen X (8,2–12,4 GHz) und Ku (12,4–18 GHz) wurden aus den Reflexions- (S11 und S22) und Transmissionsstreuungsparametern (S21 und S21) berechnet, die mit einem Vector Network Analyzer (Agilent) gemessen wurden E5071C) unter Verwendung der Wellenleitermethode.
Die Hintergrundinformationen sind kostenlos auf der Website von ACS Publications unter DOI: 10.1021 / acsomega.9b00454 verfügbar.
Syntheseverfahren von Sr3YCo4O10 + δ (SYCO) und seinem SEM-Bild, XPS-Spektren von SYCO und seiner Analyse, VSM-Studien von SYCO und PCS-30, Permittivitätsdispersionskurven von PVDF / CB- und PVDF / SYCO-Kompositen und die EMI SE von PVDF / SYCO-Verbundwerkstoffe in den X- und Ku-Bandregionen (PDF)
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