|
|
Study of Nanocomposites for Electrical Insulation
Klampár, Marián ; Mentlík, Václav (referee) ; Váry,, Michal (referee) ; Liedermann, Karel (advisor)
The dissertation thesis submitted deals with the study of dielectric properties of epoxy nanocomposites containing nanoparticles of inorganic oxides. These nanocomposites may have a promising technologic application for electric insulations in view of their higher resistance against partial discharges; yet information about their behavior in the course of ageing is not available. If at least a partial mass replacement of the currently used epoxy insulation with nanocomposite-based insulations is due to occur, the knowledge of the changes of their dielectric properties in the course of their operation will become indispensable. Within the framework of this dissertation, ensembles of samples of epoxy resins without fillers and with Al2O3, WO3, TiO2 and SiO2 fillers in the form of nanopowders, in concentrations up to 12 wt %, have been prepared. These ensembles have been measured prior to ageing and exposed to long-time (up to 5000 hours) ageing at increased temperatures 200, 250 and 300 °C and in a few cases also at 330 and 360 °C. Samples were measured in the course of ageing roughly in a logarithmic time series after 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 2000 and 5000 hours. The measured quantities included complex permittivity , internal resistivity i and loss factor tan at temperatures ranging from -153 °C to +167 °C and in the frequency range 10-2 – 106 Hz. Changes in nanocomposites have been investigated using not just dielectric spectroscopy measurements, but other methods, too, namely Fourier-transformed infrared spectroscopy (FTIR), thermogravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC) and scanning electron microscopy (SEM). The experiments have proved that materials with different fillers respond to the same concentrations of various fillers in different ways. The addition of nanoparticles, without the addition of microparticles, at a relatively low concentration (max 12 wt %), was not sufficient for reaching fundamental changes in dielectric spectrum; only smaller changes of dielectric strength and shifts of relaxations and in relaxation maps have occurred. Out of more pronounced changes, increase of concentration of the SiO2 filler in the epoxy matrix brings about a decrease of electrical conductivity in the resulting nanocomposite. The TiO2 filler had a different impact. Different TiO2 concentrations make their marked appearance in the region between the relaxation and relaxation. The TiO2-filled nanocomposites do not exhibit the unambiguous dependence of electrical conductivity on nanofiller concentration. It can be concluded that the mere addition of nanoparticles, without the addition of established microparticles, does not change the dielectric spectrum substantially. Generally, a serious problem was the production of the nanocomposite with a uniform distribution of nanoparticles. The preparation of such a nanocomposite was not trivial and, in industrial applications, this issue will require a specific focus, so as to avoid the formation of undesirable aggregates. Within the framework of this research, a methodology for the production of an epoxy nanocomposite has been developed with as high as possible uniformity of nanoparticle distribution.
|
|
|
Dielectric Properties of Thin Tantalum and Niobium Oxide Layers
Abuetwirat, Inas Faisel ; Chobola, Zdeněk (referee) ; Lelák, Jaroslav (referee) ; Liedermann, Karel (advisor)
Dielektrická relaxační spektroskopie je jednou z užitečných metod pro studium molekulární dynamiky materiálů. Díky nedávnému pokroku v přístrojové a měřicí technice je dnes možné získat dielektrické spektrum v širokém frekvenčním intervalu a pro velice rozdílné materiály. Cílem mé práce bylo studium dielektrických relaxačních spekter a vodivosti oxidů titanu, niobu, tantalu, lanthanu a hafnia pro katody pracující na principu studené emise. Cílem výzkumu bylo analyzovat frekvenční a teplotní chování těchto oxidů, včetně jejich vodivosti, v širokém frekvenčním a teplotním rozsahu, a pokusit se stanovit původ relaxačního mechanismu. Vzhledem k tomu, že původně zadaný rozsah oxidů byl dosti široký, soustředila se pozornost pouze na oxidy tantalu a niobu, rovněž s ohledem na jejich aplikace v elektrolytických kondenzátorech. Elektrické, tepelné a mechanické (při zpracování) vlastnosti oxidů tantalu a niobu jsou dnes již dobře prozkoumány. K dispozici je však jen málo poznatků o jejich dielektrických relaxačních mechanismech. Výsledky získané pro Ta2O5 ukazují existence relaxačního maxima, nacházejícího se v experimentálně dostupném teplotním a frekvenčním intervalu 187 K – 385 K a 1 Hz – 10 MHz. Frekvence ztrátového maxima se řídí Arrheniovým zákonem s aktivační energií 0.048 eV. Ve vodivostních spektrech vykazují tenké vrstvy Ta2O5 na nízkých frekvencích ustálenou hodnotu a při vysokých frekvencích monotónní nárůst, který závisí na teplotě. Pozorovanou vodivost lze popsat mocninnou funkcí s exponentem nepatrně větším než jedna (tzv. superlineární závislost). Výsledky získané pro Nb2O5 v podobné teplotní a frekvenční oblasti, 218 K – 373 K, 1 Hz – 1 MHz rovněž ukazují jedno relaxační maximum. Frekvence ztrátového maxima se opět řídí Arrheniovým zákonem s poněkud vyšší aktivační energií 0.055 eV. Niobové kondenzátory vykazují vodivostní mechanismus shodný s kondenzátory tantalovými.
|
|
|
An investigation of novel electroceramic structures for new sensor applications
Nan, Bo ; Liedermann, Karel (referee) ; Milne, Steven (referee) ; Button, Timothy William (advisor)
Piezoelektrické keramické materiály jsou široce používány v mnoha aplikacích a průmyslových odvětvích, nicméně tradiční materiály obvykle obsahují olovo, které je toxické vůči životnímu prostředí. Většina zemí proto zavedla zákony a omezení, které postupně minimalizují spotřebu olova a podporují výzkum v oblasti bezolovnatých kompozic, které by nahradily olověné protějšky. Bezolovnatá piezoelektrická keramika se tak stala žhavým tématem v posledních letech. Nicméně výzkumy na praktické využití bezolovnatých piezoelektrických materiálů jsou jen zřídka publikovány. V této diplomové práci byl vybrán jeden z nadějných kandidátů na piezoelektrickou bezolovnatou keramiku (Ba0.85Ca0.15)(Zr0.1Ti0.9)O3 za účelem zkoumání metody snížení jeho vysoké teploty slinování pomocí dotování uhličitanem lithným, kde syntéza prášku byla připravená pomocí techniky sol-gel. Výsledky byly srovnány s konvenčním práškem syntetizovaným v pevné fázi. Vzorky vyrobené ze sol-gel prášku dopovaného 0.5% hmotn. uhličitanem lithným a slinované při 1300 °C po dobu 2 hodin vykazovaly d33 = 447 ± 9 pC N–1, teplotu Curie 98.7 °C a velikost zrn 7.0 ± 0.3 m. Další důležitou otázkou pro aplikace bezolovnatého piezoelektrického keramického materiálu je jeho výroba v různých konfiguracích. Použitím techniky odlévání pásky a aditivních výrobních postupů byla piezoelektrická keramika zpracována do tří různých konfigurací (2-2, 3-3 a 1-3), aby se překlenula mezera mezi materiálovými vědami a materiálovým inženýrstvím. Pro dolévání pásky byly použity suspenze na bázi oleje a vody. Pro přípravu neslinutých keramických fólií bez trhlin, byly pro odlévání na bázi oleje vyvinuty uhlíkové suspenze s obsahem pevných látek 25% hmotn. a BCZT suspenze s obsahem pevných látek 65% hmotn. Problém práškové hydrolýzy ve vodných suspenzích byl vyřešen povrchovou úpravou prášku Al(H2PO4)3, což umožnilo, aby byly tlusté vrstvy bez trhlin odlety v jednom kroku. Tlusté vrstvy slinované při 1500 °C vykazovaly relativní dielektrickou konstantu 1207, dielektrickou ztrátu 0.018 při 1 kHz, remanentní polarizaci 7.54 µC/cm2 a koercitivní síla intenzity pole (Ec) 0.23 kV/mm při 3 kV/mm. Pro tvarování BCZT v konfiguraci 3-3 a 1-3 byla použita přímá metoda tisknutí inkoustu. Pro správnou úpravu tiskového procesu byla použita inkoustová náplň s viskoelastickým chováním obsahující 41.6% obj. pevných látek BCZT a se zpracovatelskými přísadami (HPMC ~ 2.4% a PEI ~ 0.03%). Vzorky v konfiguraci 3-3, slinované při 1500 °C, vykazovaly nejvyšší dielektrické a piezoelektrické vlastnosti, kde Curieho teplota = 86 °C, tan = 0.021, remanentní polarizace = 4.56 µC/cm2 a d33 = 100 ± 4 pC/N. Vzorky v konfiguraci 1-3 slinované při 1500 °C, které byly smíchány s epoxidem, vykazovaly dielektrickou konstantu 144 a dielektrickou ztrátu 0.035 při 1 kHz. Tato práce popisuje tvarování bezolovnaté piezoelektrické keramiky s vynikajícími vlastnostmi v pokročilých strukturách jako krok k návrhu pro moderní senzorické a energy harvesting aplikace.
|
|
|
Study of the synthesis and processing conditions on the structure and properties of (Ba,Ca)(Ti,Zr)O3 lead-free ceramics
Bijalwan, Vijay ; Liedermann, Karel (referee) ; Olhero,, Susana Maria Henriques (referee) ; Button, Timothy William (advisor)
V poslední době je snahou nahradit klasickou komerční olovnatou piezoelektrickou keramiku bezolovnatou, z důvodu zvýšeného zájmu o ochranu životního prostředí a zdraví. Různé typy materiálů již byly navrženy, jako například (K, Na) NbO3 (KNN), (Bi, Na) TiO3 (BNT), (Bi, Na) TiO3 – BaTiO3 (BNT-BT), ale jejich piezoelektrické vlastnosti zatím nedosáhly takových hodnot jako u olovnatý chkeramik (např. olovnatý titanát olova ((Pb Zr)TiO3). Nejvíce se olovnatým materiálů blíží bezolovnatý systém na bázi (1-x)Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-x(Ba0.7Ca0.3)TiO3 nebo (Ba, Ca) (Zr, Ti) O3 ((1-x)BZT-xBCT, BCZT) a to díky vysokým piezoelektrickým a dielektrickým parametrům. Nevýhodou tohoto prostředku je jeho velmi vysoká teplota slinování (1520 ° C) za účelem dosažení vysokých piezoelektrických vlastností (např. Piezoelektrické konstanty d33 > 600 pC / N). Tato práce se zabývá bezolovnatou keramikou na bázi BCZT, její výrobou a vylepšením piezoelektrických vlastností dopováním CeO2. Přidáním CeO2 (y wt.%) do (Ba0.85Ca0.15) (Zr0.1Ti0.9) O3 se výrazně snížila slinovací teplota a došlo ke zhutnění při 1350°C. U této kompozice se Curieova teplota pohybovala kolem TC~105°C a velikost zrn byla v rozmezí ~ 10-13 m. Fázový přechod z romboedrické struktury na tetragonální (R-T) byl zjištěn pomocí rentgenové spektroskopie u y = 0 - 0.1 wt.%, což koreluje s výsledky Ramanovy spektrální analýzy. Mikrostrukturní a strukturní charakteristiky byly detailně studovány v korelaci s dielektrickými, feroelektrickými a piezoelektrickými vlastnostmi. Nejlepší funkční vlastnosti byly dosaženy pro keramiku BCZT – 0.07 wt.% CeO2. Tato keramika vykazovala piezoelektrický nábojový koeficient d33 = 507±20pC/N, elektromechanický planární koeficient kp = 51.8 %, dielektrickou konstantu r = 4091±100, ztrátový činitel tan = 0.02, remanentní polarizaci Pr = 13.58C/cm2, intenzitu koercitivního pole EC = 2.13kV/cm při normovaném napětí, d33* nebo Smax/Emax = 840pm/V. Dvoustupňovou kalcinační technikou bylo docíleno homogenního růstu zrn s vysokou relativní hustotou (~ 99% teoretické hustoty). Tato kompozice BCZT- CeO2 vykazovala stálé feroelektrické, dielektrické a piezoelektrické vlastností i při velikosti zrn 10 µm. Bezolovnatá piezoelektrická keramika (Ba0.85Ca0.15-y Cey) (Zr0.1Ti0.9) O3 (BCCeZT) byla dále dopována CeO2 s cílem substituce Ce4+ v místě A krystalické mřížky. Posunutí rentgenových vrcholů k vyšším úhlům naznačuje kontrakce mřížky, což by mohlo způsobit obsazení iontů ceru v místech A této soustavy. Bylo zjištěno, že velikost zrn kolem 10 - 12 m je významná pro vysokou piezoaktivitu bezolovnaté BCCeZT keramiky. Nejvyšší piezoelektrické vlastnosti tato keramika vykazovala při y;Ce = 0.00135 a slinovaná na teplotě 1350°C/4h, kdy piezoelektrické parametry byly d33 = 501±10 pC/N, kp = 38.5±1.92 %, Pr = 12.19 C/cm2, TC = 108.1 °C a s maximální deformací S do 0.14 %. Pro další studium substituce v místě A, byly vyrobeny keramické materiály (Ba1-x-y Cax Cey) (Zr0.1 Ti0.9) O3 (x:Ca = 0.05, 0.10, 0.15, 0.20 a y;Ce = 0.00135). Opět se ukázalo, že pokud byla velikost zrn ~13um, tak keramika vykazovala vysoké piezoelektrické vlastnosti (d33 = 457pC/N) pro x = 0.15 % kalcinované na teplotě 1425 °C. Když se se velikost zrn zvýšila nad 16 um, piezoelektrický nábojový koeficient d33 klesl na 200 pC/N. Rentgenová analýza ukázala změnu fázové struktury z rombické na tetragonální při zvýšení obsahu vápníku.
|
|
|
Dielectric Relaxation Spectroscopy of Composite Systems
Holcman, Vladimír ; Liedermann, Karel (advisor)
The subject of this doctoral thesis is the study of dielectric properties of a binary composite made up of a polymer matrix and metallic filler. Properties of such composites have been extensively examined in the past and they turned out to depend on temperature, frequency and in particular on filler concentration. The objective of this work was first to experimentally establish and second to describe quantitatively the effect of the size of metallic particles on the properties of the composite concerned, yet at the same filler concentration. This study was carried out on the model system ethylene-vinylacetate copolymer – nickel. The acquisition of experimental results required extensive measurements in a wide frequency and temperature interval, as well as a manufacture and preparation of a large set of samples with different concentrations and Ni filler sizes. Measurements were in part carried out at the Centre for Electronic Correlations and Magnetism, Institute of Experimental Physics V of the University of Augsburg (Germany) and, after the installation of a new cryogenic system, at the Department of Physics at FEEC, BUT Brno. Measurements were performed on a number of meters (Alpha-Analyzer of Novocontrol, HP4284A and HP4285A of Hewlett Packard and E4991A of Agilent) in the frequency range 1 Hz – 1 MHz and in the temperature interval 10 K – 300 K. The nickel concentration in systems studied varied from 0 % to 75 % and nickel particles were of a spherical shape with diameters between 35 and 115 m. The measurement results have shown that in the above frequency and temperature window just a single relaxation and a single conductivity mechanism occur. It was also proved that the frequency dependence of complex permittivity is for different Ni particle sizes at the same concentration different. These results have been quantified and a simple mathematical formula based on the Lichtenecker mixture rule has been proposed for their description. The physical origin of the effect of particle size at the same total nickel concentration is sought in different surface areas of internal interfaces between nickel and polymer in the composite
|
|
|
Dielectric Relaxation Spectroscopy of Glycerol
Stráník, Rostislav ; Liedermann, Karel (advisor)
This doctoral thesis deals with the analysis of dielectric spectra of glycerol with dielectric relaxation spectroscopy (DRS). Dielectric spectra of glycerol have been measured in the frequency range 20 Hz to 10 MHz and in the temperature range 10 K to 300 K. The observed dielectric spectra featured a typical relaxation maximum, which could be in the first approximation described by the Arrhenius equation. The activation energy of the relaxation process observed was 90 MJ/kmol. The relaxation strength as well as the shape of the relaxation peak remained in the temperature interval 180 K - 230 K (visibility of peak) almost the same, thus indicating that no change of the relaxation mechanism comes about. Much attention was in the thesis paid to the analysis of the excess component of the relaxation alfa process, in the literature commonly denoted as "excess wing". The thesis puts forward a procedure for the quantification of the magnitude of the excess wing. The excess wing magnitude thus determined turns out to increase monotonously with increasing temperature. The excess wing is here interpreted as a manifestation of a weakly-pronounced beta relaxation.
|
|
|
Dielectric Properties of Vegetable Oils for Electrical Engineering
Spohner, Milan ; Mejzlík,, Miroslav (referee) ; Mentlík, Václav (referee) ; Liedermann, Karel (advisor)
The dissertation thesis deals with the analysis of prospective environmentally compatible electrical insulating fluids for electrical engineering in relation to their chemical structure. The thesis starts with the overview of the current state of the art and of the latest trends in the use of synthetic and biodegradable natural oils. In the experimental part were studied these oils: mineral oils, rapeseed oil, sunflower oils, soybean oil, methyl oleate, peanut oil, MCT oil, castor oil and other. Dielectric properties were measured using LRC meter Agilent 4980A including dielectric liquid test fixture Agilent 16452A and also by the Novocontrol Alpha-A analyzer. Electrical properties are presented in the frequency range 10 mHz – 1 MHz range in the temperature interval 253 K to 363 K. The work goes on with the study of the suitability of individual oils for lower temperature, including the impact of the chemical structure and formulation on electrical properties.
|
|
|
Time-domain Dielectric Spectroscopy of Carboxymethylcellulose
Palai-Dany, Tomáš ; Lelák, Jaroslav (referee) ; Mentlík, Václav (referee) ; Liedermann, Karel (advisor)
The dissertation deals with the time-domain dielectric relaxation spectroscopy of carboxymethylcellulose. The main attention was paid to the experimental part of research, mainly to the design and subsequent development of an experimental setup for the measurement of discharge currents and for their processing and analysis. The subject of the measurement is carboxymethylcellulose (CMC), which is a simple polysaccharide used in wide range of applications, among else also in biomedical engineering. The study of CMC properties has required the development of a new experimental set-up of original design, which includes the equilibration (short-circuiting) of a sample before the measurement, charging and discharging at defined time intervals, switching between these two modes, recording of measurement, adjustments and processing of measured signals up to Fourier transformation into the frequency domain and, finally, calculation of complex permittivity of the sample. The frequency dependence of complex permittivity or its imaginary part, obtained by Fourier transformation of discharge current in time domain, is then referred to as the dielectric spectrum. In view of the fact that current measurements were done at very low levels of measured signal (below 10-12 A) the whole measurement was no easy matter. The framework of the work also necessitated studies and subsequent resolution of problems associated with shielding, grounding, presence of noise and sensitivity to various ambient influences. The research work focused on a reliable and trustworthy measurement of very low discharge currents and, subsequently, mathematical processing of noise present in them, i.e., operations with the original, experimentally established signal in time domain, leading in principle to a digital filtration of measured dielectric data. A further pursued objective is the explanation of dielectric parameters of tested carboxymethylcellulose sample in the widest possible frequency spectrum. The integral part of the research was the selection and application of the method for the transformation of the adjusted signal to the frequency domain. The experimental works, including data processing, were carried out in the Department of Physics, Brno FEEC BUT. Measurements were done with Keithley 617 Electrometer, HP4284A Frequency Analyzer and Janis CCS-400-204 cryogenic system. The results were completed with results obtained at the V Department of Experimental Physics, Centre for Electronic Correlations and Magnetism, University of Augsburg, Germany.
|
|
|
Influence of High Concentration of Silica Nanoparticles on the Dielectric Spectra
Soud, Ammar Al ; Daradkeh, Samer ; Knápek, Alexandr ; Liedermann, Karel ; Holcman, Vladimír ; Sobola, Dinara
In the presented work, we report the dielectricbehavior of epoxy–silicon oxide composites in the temperaturerange 240– 300 K, over the frequency range 10-2 Hz – 107 Hz. Themeasuring apparatus was based on the Novocontrol AlphaAnalyser and the measured data were analyzed and interpretedusing the Havriliak – Negami equation. The master curves of thereal part of permittivity and the dielectric loss number wereobtained by time–temperature superposition principle, and theresults showed that the nano-composite had a much higher lossfactor. Through the analysis of the origin of the dielectric responsein epoxy/silica composite, the reason for the different dielectricrelaxation behaviors of the nano-composite, and the pure epoxywas discussed.
|
|
|
Dielectric Properties of Vegetable Oils for Electrical Engineering
Spohner, Milan ; Mejzlík,, Miroslav (referee) ; Mentlík, Václav (referee) ; Liedermann, Karel (advisor)
The dissertation thesis deals with the analysis of prospective environmentally compatible electrical insulating fluids for electrical engineering in relation to their chemical structure. The thesis starts with the overview of the current state of the art and of the latest trends in the use of synthetic and biodegradable natural oils. In the experimental part were studied these oils: mineral oils, rapeseed oil, sunflower oils, soybean oil, methyl oleate, peanut oil, MCT oil, castor oil and other. Dielectric properties were measured using LRC meter Agilent 4980A including dielectric liquid test fixture Agilent 16452A and also by the Novocontrol Alpha-A analyzer. Electrical properties are presented in the frequency range 10 mHz – 1 MHz range in the temperature interval 253 K to 363 K. The work goes on with the study of the suitability of individual oils for lower temperature, including the impact of the chemical structure and formulation on electrical properties.
|
guest ::
