Departamentul de Chimie, Institutul de Tehnologie Birla, Mesra, Ranchi, India

Departamentul de Chimie, Institutul de Tehnologie Birla, Mesra, Ranchi, India

Corespondenţă

Barnali Dasgupta Ghosh, Departamentul de chimie, Birla Institute of Technology, Mesra, Ranchi, India.

Departamentul de Chimie, Institutul de Tehnologie Birla, Mesra, Ranchi, India

Departamentul de Chimie, Institutul de Tehnologie Birla, Mesra, Ranchi, India

Corespondenţă

Barnali Dasgupta Ghosh, Departamentul de chimie, Birla Institute of Technology, Mesra, Ranchi, India.

Abstract

1. INTRODUCERE

Proprietățile dielectrice ale titanatului de bariu dopat cu Mn și ale filmelor subțiri nanocompozite BTMn/PI sunt de un interes deosebit în acest articol. Aici, am raportat sinteza BaTi (1−X) MnXNanoparticule O3 prin metoda sol - gel și filme nanocompozite BTMn/PI prin metoda turnării soluției. S-a observat că titanatul de bariu dopat cu mangan (BTMn) cu structură tetragonală și ridicat c/A raportul a arătat cea mai mare constantă dielectrică. Filmele nanocompozite au fost preparate prin includerea diferitelor cantități de BTMn (0-5% în greutate) la soluție vâscoasă de dianhidridă piromelitică (PMDA) și 4,4 ′ - oxidianilină (ODA) în solvent dimetilacetamidă (DMAc). Amestecul a fost ultrasunetat pentru a spori dispersia nanoparticulelor BTMn în matricea poliimidică. Filmele nanocompozite pregătite au fost caracterizate prin spectroscopie în infraroșu cu transformată Fourier (FTIR), calorimetrie cu scanare diferențială (DSC), analiză gravimetrică termică (TGA), difracție cu raze X (XRD), microscop electronic cu scanare (SEM) și microscop cu forță atomică (AFM) ).) analiza. Au fost studiate și proprietățile mecanice. Au fost discutate proprietățile dielectrice ale filmelor nanocompozite cu conținut diferit de BTMn, iar valorile au fost comparate cu polimida pură.

2 EXPERIMENTAL

2.1 Materiale

Acetat de bariu (99,5%; Anala R, A.R.), acetat de mangan (II) tetrahidrat (98,5%; LOBA Chemie) și izopropoxid de titan (IV) (98%; organice ACROS) au fost utilizate pentru sinteza titanatului de bariu dopat cu mangan. 2-metoxietanol (99%; Spectrochem, A.R.) a fost utilizat ca agent de stabilizare pentru izopropoxidul de titan (IV). Pentru dizolvarea completă a materiilor prime, s-a utilizat etilen glicol (98%; Qualigens Fine Chemicals). Acidul acetic (99,5%; Fisher Scientific) a fost utilizat ca solvent pentru sinteza titanatului de bariu dopat cu Mn. Nanoparticulele BTMn sintetizate au fost utilizate pentru prepararea filmelor nanocompozite. Filmele nanocompozite au fost preparate prin amestecarea nanoparticulelor BTMn sintetizate în acid poli (amic), care a fost preparat folosind PMDA (Sigma Aldrich, 97%) și ODA (Spectrochem, 98%) folosind DMAc (Spectrochem, 99%) ca solvent. Înainte de a utiliza PMDA și ODA, ambele au fost încălzite în cuptor cu vid pentru a îndepărta umezeala. Purificarea DMAc s-a făcut folosind hidrură de calciu și, după purificare, a fost depozitată în site moleculare de 4 Å.

3 PROCEDURA DE SINTEZĂ

3.1 Sinteza BaTi (1−X) MnXO3

Figura 1a reprezintă pașii pentru sinteza BaTi (1−X) MnXNanoparticule O3. Nanoparticulele de titanat de bariu dopate cu mangan au fost sintetizate prin metoda sol - gel. Soluțiile de acetat de bariu și acetat de mangan au fost preparate separat cu acid acetic ca solvent și, în plus, aceste două soluții au fost amestecate împreună. Pentru dizolvarea completă a ambelor soluții, s-a adăugat etilen glicol și a fost refluxat timp de 3 ore la 60 ° C. După aceea, soluția de izopropoxid de titan (IV) în 2 - metoxietanol a fost amestecată cu o soluție de acetat de mangan (II) și acetat de bariu formând faza solară. Acesta a fost din nou refluxat timp de 2 ore pentru a obține faza de gel. Gelul a fost evaporat pentru a obține o formă de pulbere din ceramică. Pulberea a fost uscată într-un cuptor la 60 ° C timp de 12 ore. A fost măcinată bine într-un pistil de mortar urmată de calcinare la 700 ° C într-un cuptor cu mufla.

titanatului

3.2 Pregătirea filmului nanocompozit BTMn/PI

S-a folosit metoda de turnare a soluției pentru prepararea filmelor nanocompozite BTMn/PI. Figura 1b prezintă schema pentru prepararea filmelor nanocompozite. În primul pas, cantitatea calculată de pulbere ceramică BTMn a fost sonicată într-un sondaj sonicator cu solvent DMAc timp de 2 ore. Suspensia de BTMn - DMAc a fost obținută prin ultrasunete. Pe de altă parte, soluția de acid poli (amic) (PAA) a fost preparată prin amestecarea unei cantități echimolare de cristale de PMDA și ODA în solvent DMAc. Acum, PAA a fost amestecat cu suspensia de BTMn și a fost sonicat într-o baie cu ultrasunete timp de 45 de minute. S-a preparat o suspensie BTMn bine dispersată în matricea polimerică. Amestecul obținut a fost întins pe o cutie Petri fără praf și apoi ținut peste noapte la 80 ° C într-un cuptor urmat de imidizare termică la 100, 120, 150, 200, 220 ° C fiecare timp de 1 oră.

4 CARACTERIZARE

5 REZULTATE ȘI DISCUȚII

5.1 Rezultatul și discuția despre BaTi (1−X) MnXO3

5.1.1 Analiza FTIR

Un spectru FTIR în intervalul de 4.000–400 cm -1 de probe ceramice calcinate de nanoparticule de titanat de bariu dopat cu mangan sunt prezentate în Figura 2. Datele au susținut formarea titanatului de bariu dopat cu Mn. Prezența legăturii Ti - O în structura perovskită a nanoparticulelor obținute a fost confirmată de o bandă de absorbție

570 cm −1. 35 Două trupe

S-au observat 1.755 cm -1 datorită prezenței vibrațiilor de întindere simetrice și asimetrice ale grupului COO, respectiv. 36 Aceste benzi au reprezentat prezența unui grup acetat atașat cu atomul de bariu al titanatului de bariu dopat cu mangan.

5.1.2 Analiza XRD

h k l BaTiO3 BaTi0.97Mn0.03O3 β β (radian) D (nm) θ β (radian) D (nm)
1 0 0 11.14 6,44 × 10 −3 24.44 22.25 5,07 × 10 −3 30,98
1 1 0 15,84 8,06 × 10 −3 20.00 31,50 6,29 × 10 −3 25.44
1 1 1 19,62 9,48 × 10 −3 17.30 38,90 5,57 × 10 −3 29.33
2 0 0 22,99 1,14 × 10 −2 14,80 45.03 9,58 × 10 −2 17.40
2 1 0 24,74 7,22 × 10 −3 23,69 49,59 6,35 × 10 −3 26,78
2 1 1 28,45 1,42 × 10 −2 12.41 56.13 9,15 × 10 −3 19.08
2 2 0 33,36 1,63 × 10 −2 11.32 65,82 9,68 × 10 −3 15.90

h k l BaTi0.99Mn0.01O3 BaTi0.97Mn0.05O3 β β (radian) D (nm) θ β (radian) D (nm)
001 11.05 6,37 × 10 −3 24,64 11.20 7,42 × 10 −3 21.18
101 15,72 6,4 × 10 −3 25.00 15,87 7,09 × 10 −3 22,61
111 19.38 5,76 × 10 −3 28,34 19.53 6,70 × 10 −3 24.36
200 22.54 9,96 × 10 −3 16,75 22,62 1,00 × 10 −2 16,68
201 25.34 7,50 × 10 −3 22,74 25.49 6,64 × 10 −3 25,70
211 28.07 9,09 × 10 −3 19.20 28.22 1,00 × 10 −2 17.47
202 32,88 1,29 × 10 −2 14.21 33.03 8,06 × 10 −3 22,81
  • Dimensiunile medii de cristalit ale nanoparticulelor BaTiO3, BaTi0.99Mn0.01O3, BaTi0.97Mn0.03O3, BaTi0.95Mn0.05O3 sunt de 17,70, 21,55, 23,55 și respectiv 21,54 nm.
BaTiO3 BaTi0.99Mn0.01O3 BaTi0.97Mn0.03O3 BaTi0.95Mn0.05O3
A = 4.0167 Å A = 4.0012 Å A = 4.0091 Å A = 4,0018 Å
c = 4.0167 Å c = 4,0275 Å c = 4.0091 Å c = 4.0156 Å
c/A = 1 c/A = 1,0065 c/A = 1 c/A = 1,0034

5.1.3 Morfologia suprafeței

Una dintre imaginile SEM reprezentative și spectrul EDX (spectroscopie cu raze X dispersive de energie) ale BaTi sinterizat (1−X) MnXNanoparticulele de O3 sunt prezentate în Figura 4. EDX a furnizat analiza elementară a probei sintetizate care a confirmat prezența Ba, Ti, Mn și O. Din studiul morfologic al probei de pelete sinterizate, s-a observat că particulele au variat de la 204 până la 257 nm. După cum sa calculat din datele XRD, dimensiunea cristalitului a fost în intervalul de 17,70-23,55 nm, ceea ce a arătat o creștere a dimensiunii particulelor după sinterizarea probei.

5.1.4 Studiu dielectric

În Figura 5b, valorile pierderii dielectrice au scăzut odată cu creșterea frecvenței. Conducerea electrică și polarizarea orientativă a materialelor afectează pierderile dielectrice. 39. Este, de asemenea, legat de partea imaginară a sistemului dielectric. S-a observat că valorile pierderii dielectrice au fost mai mari cu o concentrație mai mare de Mn în titanatul de bariu, adică pierderea dielectrică (tanδ) a scăzut odată cu creșterea valorii X (de la 0,01 la 0,05). Dintre cele trei titanate de bariu dopate cu Mn sintetizate, cea mai mică valoare tanδ 2,44 (la frecvența de 1 Hz) a fost obținută pentru BaTi0,99Mn0,01O3. Mn dopat titanat de bariu cu X = 0,01 a fost ales pentru prepararea filmelor subțiri nanocompozite datorită valorii sale constante dielectrice ridicate 7.104 și a valorii scăzute a pierderii dielectrice 2,44.

5.2 Rezultatul și discuția filmului nanocompozit BTMn/PI

O serie de filme nanocompozite BTMn/PI au fost preparate prin variația procentului de încărcare a ceramicii de la 0 la 5% în greutate și caracterizate temeinic.

5.2.1 Analiza FTIR

Graficul în infraroșu transformat Fourier al filmelor nanocompozite BTMn/PI este prezentat în Figura 6. Spectrele de absorbție FTIR oferă informații semnificative despre vibrațiile moleculare și de rotație asociate cu o legătură covalentă. Spectrele FTIR apar din cauza schimbării momentului dipolar al moleculei. Aceasta implică mișcări de îndoire, rotire, răsucire și vibrație într-o moleculă. Prezența grupării carbonil a fost confirmată de două vârfuri de absorbție la

1.728 cm -1, care s-au datorat întinderii asimetrice și, respectiv, simetrice. 22 Banda de absorbție la

724 cm -1 s-a datorat vibrației la îndoire a grupării carbonil. Un vârf caracteristic pentru legăturile C-N și C-O-C ale filmului subțire BTMn/PI a fost observat în jur

1.012 cm −1, respectiv. 40 Toate aceste benzi au apărut din cauza imidizării termice complete a filmelor nanocompozite. Spectrele FTIR pentru filmele subțiri nanocompozite au fost măsurate în intervalul de 4.000–600 cm -1 (în modul ATR); prin urmare, vârful legăturii metal - oxigen (Ti - O) (aproximativ 540 cm -1) nu a fost observat în acest spectru.

5.2.2 Analiza XRD

Modelele XRD ale peliculelor subțiri sunt prezentate în Figura 7. Datele au confirmat că toate nanocompozitele sintetizate au fost de natură amorfă. În grafic, nu au fost observate vârfuri ascuțite. Acest lucru s-a datorat procentului de greutate foarte scăzut al ceramicii BTMn prezente în toate filmele nanocompozite preparate și au fost bine dispersate. Pentru filmele subțiri nanocompozite sintetizate, s-au obținut câteva vârfuri mici cu valori 2θ la 31,36 °, 45,17 °, 49,59 ° și 56,26 °, ceea ce a susținut prezența nanoparticulelor ceramice BTMn.

5.2.3 Proprietăți termice

Temperatura de tranziție a sticlei (Td) din filmele nanocompozite sintetizate a fost analizat prin DSC. La fel ca analiza XRD, rezultatele DSC au susținut, de asemenea, natura amorfă a tuturor filmelor subțiri preparate, deoarece aceste filme nu au prezentat nicio temperatură de cristalizare. Figura 8 prezintă graficul DSC al tuturor filmelor nanocompozite pregătite. TValoarea g a fost obținută în intervalul 251-337 ° C și a fost listată în Tabelul 4. Toate filmele nanocompozite pregătite au prezentat o valoare ridicată Tg. Filmele compozite au arătat o temperatură de tranziție a sticlei mai mare decât polimida pură se datorează prezenței nanoparticulelor ceramice la temperaturi ridicate. Proprietățile termice ale tuturor filmelor nanocompozite preparate au fost examinate la o rată de încălzire de 10 ° C/min în atmosferă de azot. Termogramele filmelor sunt prezentate în Figura 9. Analiza termică a arătat că toate filmele nanocompozite BTMn/PI au o bună stabilitate termică. În Tabelul 4, temperatura de descompunere pentru pierderi în greutate de 10% este rezumată. Aceste filme ceramice din polimidă nanocompozite au prezentat 10% pierderea în greutate variind de la 484 la 571 ° C.

Filme nanocompozite Tg (° C) Temperatura la 10% în greutate. pierdere (o C) Rezistența la tracțiune (MPa) Modul (GPa)% Alungire Constanta dielectrică la 1 Hz Pierderea dielectrică la 1 Hz Rugozitate medie (nm)
PI pur 251 484 111 ± 9 4,5 ± 0,33 12,1 ± 0,37 3.23 0,77 26,77
1% BTMn/PI 304 504 102 ± 5 4,0 ± 0,49 11,4 ± 0,29 4.14 0,50 35,25
2% BTMn/PI 314 513 96 ± 8 3,6 ± 0,30 9,1 ± 0,33 5.9 0,53 43,15
3% BTMn/PI 321 522 89 ± 5 3,2 ± 0,24 7,6 ± 0,28 6.24 0,26 54,88
4% BTMn/PI 327 527 84 ± 6 2,9 ± 0,42 5,8 ± 0,48 6,91 0,07 69,99
5% BTMn/PI 337 571 80 ± 4 2,4 ± 0,33 4,5 ± 0,55 8,63 0,06 74.09

În general, filmele din poliimidă sunt flexibile 41 cu o rezistență mecanică bună. În cazul filmelor nanocompozite polimer-ceramice, este dificil să se obțină o constantă dielectrică ridicată cu proprietăți fizice bune. În această lucrare, procentul în greutate de ceramică (0-5% în greutate) a fost scăzut și valorile constante dielectrice ridicate ale filmelor compozite au fost menținute cu o rezistență mecanică bună și este raportat în Tabelul 4. Rezistența la tracțiune obținută a nanocompozitului filmele au variat de la 111 la 80 MPa, iar modulul variază de la 4,5 la 2,4 GPa. S-a văzut clar că odată cu creșterea procentului în greutate al ceramicii, rezistența la tracțiune scade, acest lucru se datorează prezenței naturii fragile a nanoparticulelor BTMn.

5.2.4 Morfologia suprafeței

Morfologia suprafeței filmelor subțiri nanocompozite BTMn/PI preparate a fost studiată de SEM și AFM. S-a observat că în toate filmele nanocompozite preparate, particulele ceramice BTMn au fost distribuite omogen în PI. Toate filmele nanocompozite au fost de culoare gălbuie transparentă, ceea ce a susținut și amestecarea corectă a ceramicii în PI. Figura 10 prezintă una dintre imaginile SEM reprezentative ale filmelor nanocompozite sintetizate. Imaginile AFM au fost utilizate în continuare pentru a examina asperitatea filmelor nanocompozite. Tabelul 4 arată că valoarea rugozității a crescut odată cu creșterea procentului în greutate de BTMn ceramică în matricea poliimidică. Procentul de încărcare a ceramicii a fost scăzut (0-5% în greutate); prin urmare, nu a arătat o schimbare în mare măsură în morfologia suprafeței filmelor nanocompozite. Figura 11 reprezintă imaginile AFM 2D și 3D ale filmului nanocompozit. Am observat că odată cu creșterea procentului în greutate de BTMn în filmele nanocompozite de la 0 la 5% în greutate, rugozitatea filmelor a crescut, de asemenea, de la 26,77 la 74,09 nm.

5.2.5 Proprietăți dielectrice

6. CONCLUZII