Современные конденсаторы, устройства, накапливающие заряд и энергию электрического поля, требуют разработки гибких диэлектриков, то есть материалов, плохо проводящих электрический ток. К их числу относится полипропилен – один из видов полимеров, который отличается гибкостью и прочностью. Однако из-за того, что полимеры плохо накапливают энергию внешнего поля, их применение в качестве транзисторов и электрических приводов затруднено.
Решить эту проблему можно с помощью двумерных частиц – максенов, в результате добавления которых внутри полимера образуются микроконденсаторы. Наночастицы выступают электродами, а сам полимер – диэлектриком. Как следствие, при воздействии внешнего электрического поля на границах соприкосновения максенов и полимера возникают центры поляризации (зоны смещения заряда), и композит лучше накапливает заряд.
Максены, как правило, состоят из переходного металла, например титана, ванадия или хрома, а также атома углерода или азота. Ученые из Саратовского государственного технического университета и Южного федерального университета провели исследование, как наночастицы карбида ванадия – одного из видов максенов, являющегося соединением ванадия и углерода – могут повлиять на способность поливинилиденфторида (ПВДФ) накапливать заряд. ПВДФ представляет собой фторсодержащий полимер, который сочетает жесткость и низкую воспламеняемость.
Синтез наночастиц ванадия проходил в два этапа. Сначала ученые осуществили высокотемпературный синтез ванадия, порошка алюминия и графита, в результате чего получился материал-предшественник. Последний был размещен в горячий раствор соляной и плавиковой кислот, что в итоге позволило получить максены из ванадия и углерода без примесей алюминия.
Авторы исследования измельчили полученный порошок и смешали его с органическим растворителем. В этой смеси ученые растворили гранулы ПВДФ и спрессовали полимерные диски толщиной 1 миллиметр при температуре в 180 градусов Цельсия. Чтобы определить молекулярную структуру получившегося полимера, ученые использовали метод рентгеновской кристаллографии, который позволяет оценивать строение вещества по особенностям рассеивания рентгеновских лучей. В свою очередь, для оценки способности вещества накапливать заряд ученые использовали импедансметр — прибор, отслеживающий перемещение зарядов.
Расчеты показали, что способность полимера накапливать энергию внешнего поля увеличилась в 41,7 раза. Такой скачок стал возможен благодаря двумерному карбиду ванадия, за счет которого полимер принял новую кристаллическую структуру. Это открытие может облегчить использование полимеров в различных отраслях электроники.
«Полученные нами полимерные композиты могут стать частью различных электронных цепей. Так, конденсаторы на их основе найдут свое применение в автомобиле- и авиастроении. В дальнейшем мы планируем сосредоточиться на материалах для высоковольтных кабельных муфт, так как подобные соединения эффективно выравнивают поля высокой напряженности», – цитирует Российский научный фонд одного из авторов исследования, кандидата технических наук Николая Горшкова.
