Введение к работе
Актуальность работы. Разработка и создание структурно-неоднородных материалов, модифицированных электрически активными частицами с высокоразвитой поверхностью, является одной из актуальных задач современной физики конденсированного состояния и, в том числе, нанотехнологий. Несмотря на значительное внимание, уделяющееся исследованию поляризационных процессов в электрически нейтральных конденсированных средах, остается актуальным вопрос о взаимосвязи между структурными свойствами и диэлектрическим откликом гетерогенных систем при наличии в них межфазного взаимодействия твердой и жидкой компонент.
В качестве армирующих наполнителей и наномодификаторов для современных композитных материалов широко используются механоактивированные природные слюды, характеризующиеся высокой электрической активностью. Внедрение мелкоразмерных частиц слюды в сплошную однородную среду (матрицу) позволяет эффективно влиять на диэлектрические, механические и тепловые свойства полученных гетерогенных систем. Создание перспективных композитных материалов на основе мелкоразмерных слюд и прогнозирование их физико-механических свойств невозможно без выяснения механизмов влияния активных наполнителей на структурные свойства матричных систем. В настоящее время остается открытым вопрос о природе возникновения и механизме межфазного взаимодействия компонент внедряемых частиц и матрицы исходного материала на границах раздела фаз.
Природные слюды, используемые в промышленности, изучались достаточно продолжительное время, однако следует отметить, что как объекты физики конденсированного состояния они исследованы крайне слабо. Наличие в мелкоразмерных слюдах твердых частиц с высокоразвитой поверхностью приводит к эффективной адсорбции этими частицами полярных молекул воды. В результате электрического взаимодействия активной твердой и полярной жидкой компонент данной системы на межфазной границе контакта происходит интенсивное накопление свободного межфазного заряда, приводящего к возникновению градиентов потенциала внутреннего электрического поля, образованию двойного электрического слоя и проявлению электретного эффекта в мелкоразмерных слюдах. В связи с высокой электрической активностью мелкоразмерных частиц слюды значительная доля адсорбированной ими воды находится в структурированном состоянии и характеризуется свойствами, отличными от свойств объемной воды. На данный момент электрофизические свойства связанной воды в высокодисперсных механоактивированных слюдах, а также ее влияние на процессы релаксационной поляризации исследованы не в полном объеме. В связи с этим актуальной является разработка экспериментальных и теоретических подходов к изучению изменения структуры полярных жидкостей под действием значительных электрических полей, способных жестко ориентировать молекулы этих жидкостей. Исследование структурных особенностей и диэлектрического отклика водной компоненты в мелкоразмерных слюдах позволит расширить представления о механизмах электроконтактного взаимодействия в электрически активных конденсированных системах (ЭАКС).
Цель работы. Исследование характерных свойств электрически активных конденсированных систем, обусловленных наличием в них межфазного электрического взаимодействия между зарядами на поверхности твердой фазы и полярными молекулами жидкой матрицы, на примере мелкоразмерных слюд, содержащих адсорбированную воду. Изучение процессов, происходящих в объеме двойного электрического слоя под действием внутреннего электрического поля этих систем, и их теоретическое обоснование.
В качестве экспериментальных методов исследования были выбраны термостимулированная спектроскопия и диэлькометрия высокого разрешения. Дополнительно использовался метод малоуглового рассеяния лазерного излучения, позволяющий определить гранулометрический состав образцов.
Объектом исследования являются кристаллы природного флогопита с искусственно введенными водными пленками различной толщины, а также мелкоразмерные флогопиты Слюдянского месторождения с варьируемым гранулометрическим составом и величиной адсорбции.
Поставленная цель определила необходимость решения следующих основных задач:
-
Исследование механизмов возникновения градиента потенциала внутреннего электрического поля в конденсированной системе, матрица которой является полярной водной компонентой, а твердая фаза представлена частицами слюды с высокоразвитой заряженной поверхностью. Исследование динамики процесса реализации термостимулированных токов в данной системе. Вычисление энергии активации доминирующих носителей заряда различной природы, их времени релаксации, плотности и частотного фактора при различной величине адсорбции и крупности частиц.
-
Экспериментальное исследование механизма накопления, релаксации и переноса зарядов в механоактивированных слюдах, содержащих адсорбированную воду. Изучение влияния электрической активности частиц слюды на эффективность межфазного взаимодействия и усиление её диэлектрической поляризации. Получение и сопоставление зависимостей диэлектрической проницаемости и дистрибутивного параметра мелкоразмерных слюд от величины адсорбции водной компоненты.
-
Экспериментальное исследование и теоретический анализ процессов молекулярного упорядочения в тонких водных пленках под действием внутреннего электрического поля заряженной поверхности кристалла слюды. Установление взаимосвязи между изменением структуры водной прослойки и диэлектрическим откликом как самой жидкости, так и рассматриваемой конденсированной системы «кристалл слюды – водная компонента».
-
Построение модели диэлектрического отклика неоднородной конденсированной системы с полярной матрицей, содержащей как нейтральные, так и электрически активные мелкоразмерные включения, с целью определения возможностей управления градиентами потенциала внутреннего электрического поля.
Научная новизна состоит в следующем:
-
Установлено, что на межфазных границах электрически активных гетерогенных систем с полярной матрицей и заряженной твердой компонентой под действием собственного внутреннего электрического поля происходит формирование двойного электрического слоя (ДЭС), накопление свободных гетерозарядов, обуславливающих электретные свойства данных систем, возникновение градиентов концентрации свободных ионов жидкой фазы, а также кластерообразование полярной жидкости.
-
Экспериментально выявлено и теоретически подтверждено, что эффективность межфазного взаимодействия в электрически активных конденсированных средах зависит от величины удельной поверхности твердой компоненты и степени полярности жидкой фазы. В связи с этим появляется возможность управления градиентами потенциала внутреннего электрического поля, а, следовательно, и электрической активностью рассматриваемой системы.
-
Подтверждено наличие взаимосвязи между многослойной организацией структуры и диэлектрическими свойствами тонких водных прослоек, находящихся на электрически активной твердой поверхности. Разработан теоретический подход, позволяющий анализировать процессы образования мезоскопической неоднородности в полярной жидкой матрице электрически активных конденсированных систем.
-
Впервые предложена модель, в рамках которой исследованы структурные параметры и дисперсия диэлектрической поляризации электрически активных конденсированных сред матричного типа. Модель учитывает межфазные электрические взаимодействия в зоне контакта твердой компоненты с развитой заряженной поверхностью и полярной жидкой матрицы.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Межфазное взаимодействие в электрически активных конденсированных системах, содержащих полярную жидкую матрицу и твердую компоненту с высокоразвитой заряженной поверхностью, приводит к возникновению собственного внутреннего электрического поля в таких системах.
-
Двойной электрический слой обуславливает характерные свойства электрически активных гетерофазных систем и формируется в них только под действием внутреннего электрического поля. В объеме этого слоя реализуются процессы интенсивного накопления межфазных зарядов, обуславливающих проявление электретных свойств данной системы, образования градиентов концентрации свободных ионов, возникновения термостимулированного тока и неоднородного изменения структуры полярной жидкой матрицы.
-
Интенсивность процессов межфазного взаимодействия и кластерообразования полярной жидкой фазы в электрически активных конденсированных средах зависит от величины удельной поверхности частиц твердой компоненты и степени полярности жидкой матрицы.
-
Модель, в рамках которой устанавливается взаимосвязь между структурными особенностями и дисперсией диэлектрической поляризации электрически активных конденсированных систем с учетом поправки на межфазное электрическое взаимодействие между зарядами на поверхности твердой компоненты и полярными молекулами жидкой матрицы.
Практическая и научная значимость. Результаты диссертационной работы позволяют оценить перспективы использования высокодисперсных слюд в качестве электроактивных наполнителей и наномодификаторов для современных композиционных материалов различного назначения. Развиты представления о природе возникновения и механизме управляемого электроконтактного взаимодействия на межфазных границах электрически активных конденсированных систем. Проведенные исследования дополняют сведения о механизме каталитической активности алюмосиликатов, связанной с наличием в них множественных заряженных дефектов, и позволяют повысить эффективность процессов механоактивации во многих порошковых технологиях.
Выявленные в работе закономерности могут использоваться при разработке суперионных композитов, материалов, обладающих естественными электретными свойствами, а также материалов с высокой диэлектрической проницаемостью, которые найдут применение в экологически чистых импульсных источниках электрической энергии. Предложен метод оценки и прогнозирования диэлектрических показателей структурно-неоднородных материалов на основе мелкоразмерных слюд и их изменения под действием различных факторов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург 2007, 2008); республиканской научной конференции аспирантов, магистрантов и студентов по физике конденсированного состояния (Гродно, республика Беларусь 2006, 2007, 2008); международном конгрессе студентов, магистрантов и молодых ученых «МИР НАУКИ» (Алматы, Казахстан, 2007); XI международной школе-семинаре по люминесценции и лазерной физике (Иркутск, Россия, 2008); 10-й конференции молодых ученых «Современные проблемы в астрофизике и физике космической плазмы» (Иркутск, Россия, 2007); 13-й Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Ростов-на-Дону – Таганрог, Россия, 2007); 14-й Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Уфа, Татарстан, 2008); международной конференции “Порядок, беспорядок и свойства оксидов. ODPO-10” (Сочи, Россия, 2007); первом международном междисциплинарном симпозиуме «Физика низкоразмерных систем и поверхностей» (Ростов-на-Дону – п. Лоо, Россия, 2008); 2-й Всероссийской конференции «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях» (Москва, Россия, 2009); Всероссийской Байкальской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по наноструктурным материалам (Иркутск, Россия, 2009).
По материалам диссертации опубликовано 29 работ: 6 статей (из них 5 в журналах, входящих в список ВАК), 7 статей в сборниках трудов конференций и 16 тезисов докладов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы. Рукопись диссертации содержит 164 машинописных страниц основного текста, 1 таблицу, 43 рисунка и библиографию из 172 наименований.
