Nuevos materiales nanocompuestos con propiedades eléctricas especiales y desarrollo de nuevos métodos de caracterización: nanopiezodeformación

摘要

En este trabajo se han diseñado, preparado y caracterizado nuevos materiales nanocompuestos con propiedades dieléctricas especiales. Materiales de alta constante dieléctrica con bajas pérdidas dieléctricas y piezoeléctricas. Para ello, se prepararon materiales nanocompuestos con dispersión óptima de nanopartículas mediante la utilización de molienda de Bolas de Alta Energía (HEBM). Los resultados obtenidos de una caracterización químico-física apropiada tanto del material en su conjunto como a escala interfacial se correlacionaron con las propiedades finales de los materiales (termo-mecánicas, eléctricas) para poder entender la influencia de la presencia de nanopartículas interfase en las prestaciones de estos materiales nanocompuestos. En particular los materiales seleccionados para realizar estos estudios son: polifluoruro de vinilideno, partículas submicrométricas de titanato de bario, BaTiO₃, y nanotubos de carbono de pared múltiple, CNT. Con ellos se prepararon sistemas ternarios de PVDF/BaTiO₃/CNT de diferente composición. Se tuvieron en cuenta diferentes composiciones para los materiales compuestos de PVDF/BaTiO₃ que en tanto por ciento en peso fueron de 0%, 1%, 5% y 10% respectivamente. Se estudió la estructura y la morfología de los materiales preparados por difracción de rayos X (DRX) y microscopía electrónica de barrido (SEM) respectivamente. Por otro lado, se estudiaron transiciones térmicas de los materiales realizando seguimientos de los procesos de fusión y cristalización llevando a cabo experimentos dinámicos por calorimetría diferencial de barrido (DSC). En el proceso de cristalización se consideraron dos variables: i) la velocidad de enfriamiento y ii) la cantidad de partículas de BaTiO₃. Además se llevó a cabo un análisis cinético profundo del proceso de cristalización del PVDF con el fin de comprender el mecanismo principal por el cual se obtienen unas morfologías concretas. Se pudo observar que la velocidad de enfriamiento y el contenido de BaTiO₃ no producían variaciones importantes en la estructura cristalina y la morfología del PVDF, sin embargo, la presencia de partículas de BaTiO₃ parece favorecer una nucleación atérmica, lo que lleva a una mayor fracción de cristales en tiempos más cortos.Por otra parte se prepararon materiales compuestos basados en una matriz de Polifluoruro de Vinilideno (PVDF) rellena de partículas submicrométricas de BaTiO₃ y nanotubos de carbono de pared múltiple (CNT) con dispersión uniforme. Se estudió la estructura y la morfología de estos materiales en función de la composición para correlacionarlas después con las propiedades térmicas y mecánicas. Se utilizó molienda mecánica de bolas de alta energía (HEBM) en condiciones criogénicas y posteriormente prensado en caliente para obtener películas delgadas con dispersión uniforme de las nanopartículas en el interior del PVDF La presencia de nanopartículas de BaTiO₃ y/o CNT no modifica el mecanismo de termogradación del PVDF. Sin embargo, el BaTiO₃ parece inhibir la volatilidad de los productos descompuestos a partir de la termodescomposición dificultando así la descomposición del PVDF. La presencia de los CNT favoreció la termodegradación del PVDF probablemente debido a la mejora en la transmisión de calor por un incremento en la conductividad térmica. Las variaciones en las transiciones térmicas del PVDF eran más dependientes de las condiciones de procesamiento. Las mejoras en las propiedades mecánicas del PVDF se atribuyeron a un efecto de refuerzo de los rellenos. Este efecto, sólo ocurrió por debajo de la fracción de percolación de los CNT, señalando que los nanotubos de carbono refuerzan a través de una transferencia de carga óptima de la matriz del PVDF a los nanorellenos (…)