Введение к работе
Актуальность работы. Разработка функциональных композиционных материалов с регулируемыми физико-химическими, физико-механическими и электрофизическими свойствами является одной из важных проблем современной физической химии твердого тела. Широкое использование полимерных композиционных материалов в электронной технике обусловлено возможностью сочетания физико-механических свойств полимеров (эластичность, устойчивость к механическим воздействиям, низкие удельный вес и стоимость) и высоких электрофизических характеристик неорганических наполнителей. Особенно сложные системы необходимо рассматривать при создании многослойных полимерных композиционных макроструктур элекгро-люминесцентных источников света (ЭЛИС), в том числе гибких (ГЭЛИС), на основе порошковых электролюминофоров.
ЭЛИС - холодный источник света, непосредственно преобразующий электрическую энергию в световую, что определяет низкую потребляемую мощность. С помощью ЭЛИС можно создавать многоцветные светящиеся панели сложной формы и большого размера, изменять яркость и цвет свечения отдельных элементов. Вместе с тем положительные свойства ЭЛИС не удается полностью реализовать вследствие недостаточной изученности закономерностей, связывающих физико-химические и электрофизические свойства компонентов с технико-эксплуатационными характеристиками получаемых на их основе макроструктур. В особенности это относится ГЭЛИС, предъявляющим повышенные требования не только к электрофизическим, но и к физико-механическим свойствам электролюминесцентной макроструктуры.
С физико-химической точки зрения ГЭЛИС представляют собой многослойные макроструктуры на основе электропроводящих и диэлектрических полимерных композиционных функциональных слоев, формируемых, в частности, из паст-суспензий наполнителей в растворах полимеров. Свойства этих слоев и изделия в целом определяются как характеристиками компонентов, так и физико-химическими процессами, протекающими при формировании композитов. Поэтому для совершенствования технических параметров и оптимизации состава, структуры и технологии изготовления ГЭЛИС в соответствии с конкретными технические требованиями и условиями эксплуатации, необходимо исследовать процессы структурообразования в системе по-
лимер-растворитель-наполнитель и установить взаимосвязь состава, структуры и свойств функциональных слоев.
Работа выполнялась в соответствии с планами научно-исследовательских работ Санкт-Петербургского государственного технологического института по научному направлению "Создание функциональных композитов для электронной техники методами химии твердых веществ" на 1995...98 гг.
Цель работы. Направленное регулирование физико-химических свойств паст-суспензий и электрофизических параметров полимерных композиционных макроструктур для электролюминесцентных источников света.
В работе решались следующие задачи:
Установить закономерности, связывающие состав и физико-химические свойства компонентов (полимеров и наполнителей) с процессами структурообразования в пастах-суспензиях.
Исследовать влияние состава, структуры и толщины функциональных слоев, а также условий их формирования на электрофизические свойства композиционных макроструктур.
- Разработать конструкции и изготовить опытные образцы
ЭЛИС и ГЭЛИС и определить их технико-эксплуатационные характе
ристики.
Научная новизна работы.
Установлена взаимосвязь между кислотно-основными свойствами поверхности диэлектрических и электропроводящих наполнителей, физико-химическими свойствами содержащих их суспензий и электрофизическими параметрами формируемых из этих суспензий макроструктур.
Установлено влияние состава и свойств компонентов на реологические и седиментационные свойства суспензий на основе растворов бутадиен-нитрильного каучука и акрилово-амидной смолы. Определены критические объемные концентрации функциональных наполнителей.
С использованием формулы Винера, содержащей структурочув-ствительный параметр и математических методов обработки данных осуществлен анализ зависимостей диэлектрической проницаемости полимерных композиций на основе каучука СКН-40 и акрилово-амидной смолы от содержания наполнителей (титанат бария и керамика ВС-1). Показано, что неоднородность активных центров поверхности способствует формированию макроструктуры с более высокой
5 диэлектрической проницаемостью за счет более интенсивного струк-турообразования.
Установлено, что зависимости проводимости композиций на основе каучука СКН-40 от содержания наполнителей (технический углерод П324 и графит С-1) имеют экстремум при критическом объемном содержании наполнителя. Обработка полученных данных по методу наименьших квадратов, позволила установить, что для композиций на основе технического углерода порог перколяции составляет величину менее 1 %об., а для композиций на основе графита - 7 % об.
Обнаружен синергический эффект для предельного напряжения сдвига суспензий и электропроводности функциональных слоев, содержащих смесь наполнителей П324 и С-1, который может объясняться интенсификацией взаимодействий между частицами с неоднородной по составу активных центров поверхностью.
Практическая значимость.
Разработаны полимерные композиции для функциональных слоев макроструктуры ЭЛИС с улучшенными свойствами, что позволило повысить эксплуатационные параметры и понизить стоимость изделия. Разработаны композиции для защитного функционального слоя ЭЛИС с широким диапазоном значений диэлектрической проницаемости (10...45), позволяющие получать многоцветные изделия равномерного цвета свечения. Разработана полимерная композиция непрозрачного электрода с электропроводностью 200 См/м и средним
температурный коэффициент сопротивления -0,0071с1 в интервале
о температур 20...120 С. Функциональные композиции обладают хорошей адгезией (1 балл по методу решетчатых надрезов), высокой эластичностью (менее 5 мм по ШГ-2) и были использованы при изготовлении опытных образцов гибких электролюминесцентных источников света методом литья. В качестве прозрачного электрода ГЭЛИС использовали тонкие пленки нитрида титана, нанесенные на полимерные подложки, а также полимерные композиции на основе СКН-40 и дисперсных In203(Sb) и ZnO(Ga). Получены изделия различных цветов свечения с яркостью 10...20 кд/м2 в режиме 220 В, 50 Гц; 50...100 кд/м2 в режиме 220 В, 400 Гц. Разработана конструкция ЭЛИС на подложке из электропроводящего бетона, выполняющего роль непрозрачного электрода ЭЛИС.
Помимо электролюминесцентных источников света, разработанные полимерные композиции могут использоваться в качестве функциональных электропроводящих и диэлектрических материалов
широкого назначения.
Предложены уравнения, описывающие взаимосвязь состава и электрооптических свойств излучающего функционального слоя ЭЛИС. Программными средствами MathCAD и Basic реализована методика расчета состава смеси электролюминофоров для получения заданного цвета свечения.
Научная новизна и практическая значимость результатов работы подтверждается положительным решением по заявке на патент № 97110020/03(011020).
Результаты работы используются в лабораторном практикуме по специальности "Химическая технология материалов и изделий электронной техники", опубликованы методические указания.
Апробация работы.
Результаты работы доложены на конференции по проблемам материаловедения в электронной технике (Кисловодск, 1995), 1-й Международной конференции по химии высокоорганизованных веществ и научным основам нанотехнологии (Санкт-Петербург, 1996), конференции по перспективным материалам и технологиям для средств отображения информации (Кисловодск, 1996), научно-технической конференции Неделя науки - 96 (Санкт-Петербург, ПГУПС, 1996), MRS Spring 1997 Meeting (San Francisco, 1997), научно-технической конференции аспирантов СПбТТЩТУ) (Санкт-Петербург, 1997), Ibausil 13 International BaustorFagung (Weimar, 1997), II С.-Пб. ассамблее молодых ученых и специалистов (Санкт-Петербург, 1997).
Образцы были представлены на выставке "Технические средства и техпроцессы для обеспечения безопасности движения", Щербинка, 1997.
Публикации. По результатам работы опубликованы 1 статья и 12 тезисов докладов.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 120 стр. машинописного текста и содержит 34 рис. и 11 табл. Работа состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографии из 117 наименований и приложений.
