TY - THES A1 - Nguyen, Quyet Doan T1 - Electro-acoustical probing of space-charge and dipole-polarization profiles in polymer dielectrics for electret and electrical-insulation applications T1 - Elektroakustische Abtastung von elektrischen Ladungs- und Polarisationsprofilen in Polymerfolien für Elektret- und Isolations-Anwendungen N2 - Electrets are dielectrics with quasi-permanent electric charge and/or dipoles, sometimes can be regarded as an electric analogy to a magnet. Since the discovery of the excellent charge retention capacity of poly(tetrafluoro ethylene) and the invention of the electret microphone, electrets have grown out of a scientific curiosity to an important application both in science and technology. The history of electret research goes hand in hand with the quest for new materials with better capacity at charge and/or dipole retention. To be useful, electrets normally have to be charged/poled to render them electro-active. This process involves electric-charge deposition and/or electric dipole orientation within the dielectrics ` surfaces and bulk. Knowledge of the spatial distribution of electric charge and/or dipole polarization after their deposition and subsequent decay is crucial in the task to improve their stability in the dielectrics. Likewise, for dielectrics used in electrical insulation applications, there are also needs for accumulated space-charge and polarization spatial profiling. Traditionally, space-charge accumulation and large dipole polarization within insulating dielectrics is considered undesirable and harmful to the insulating dielectrics as they might cause dielectric loss and could lead to internal electric field distortion and local field enhancement. High local electric field could trigger several aging processes and reduce the insulating dielectrics' lifetime. However, with the advent of high-voltage DC transmission and high-voltage capacitor for energy storage, these are no longer the case. There are some overlapped between the two fields of electrets and electric insulation. While quasi-permanently trapped electric-charge and/or large remanent dipole polarization are the requisites for electret operation, stably trapped electric charge in electric insulation helps reduce electric charge transport and overall reduced electric conductivity. Controlled charge trapping can help in preventing further charge injection and accumulation as well as serving as field grading purpose in insulating dielectrics whereas large dipole polarization can be utilized in energy storage applications. In this thesis, the Piezoelectrically-generated Pressure Steps (PPSs) were employed as a nondestructive method to probe the electric-charge and dipole polarization distribution in a range of thin film (several hundred micron) polymer-based materials, namely polypropylene (PP), low-density polyethylene/magnesium oxide (LDPE/MgO) nanocomposites and poly(vinylidene fluoride-co- trifluoro ethylene) (P(VDF-TrFE)) copolymer. PP film surface-treated with phosphoric acid to introduce surfacial isolated nanostructures serves as example of 2-dimensional nano-composites whereas LDPE/MgO serves as the case of 3-dimensional nano-composites with MgO nano-particles dispersed in LDPE polymer matrix. It is evidenced that the nanoparticles on the surface of acid-treated PP and in the bulk of LDPE/MgO nanocomposites improve charge trapping capacity of the respective material and prevent further charge injection and transport and that the enhanced charge trapping capacity makes PP and LDPE/MgO nanocomposites potential materials for both electret and electrical insulation applications. As for PVDF and VDF-based copolymers, the remanent spatial polarization distribution depends critically on poling method as well as specific parameters used in the respective poling method. In this work, homogeneous polarization poling of P(VDF-TrFE) copolymers with different VDF-contents have been attempted with hysteresis cyclical poling. The behaviour of remanent polarization growth and spatial polarization distribution are reported and discussed. The Piezoelectrically-generated Pressure Steps (PPSs) method has proven as a powerful method for the charge storage and transport characterization of a wide range of polymer material from nonpolar, to polar, to polymer nanocomposites category. N2 - Elektrete sind Dielektrika mit quasi-permanenter elektrischer Ladung und/oder quasi-permanent ausgerichteten elektrischen Dipolen - das elektrische Analogon zu einem Magneten. Seit der Entdeckung der besonders hohen Stabilitaet negativer Raumladungen in Polytetrafluorethylen (PTFE, Handelsname Teflon) und der Erfindung des Elektretmikrofons ist aus der spannenden wissenschaftlichen Fragestellung nach den Ursachen der hervorragenden Ladungsspeicherung in Elektreten auch eine wichtige technische Anwendung geworden. In der Geschichte der Elektretforschung und der Elektretanwendungen geht es neben der Ursachenklaerung auch immer um die Suche nach neuen Materialien mit besserer Ladungsspeicherung und/oder Dipolpolarisation. Elektretmaterialien muessen in der Regel elektrisch aufgeladen oder gepolt werden, um die gewuenschten elektroaktiven Eigenschaften zu erhalten. Dabei werden entweder elektrische Ladungen auf der Oberflaeche oder im Volumen des Elektretmaterials deponiert und/oder elektrische Dipole im Material ausgerichtet. Genaue Informationen ueber die raeumliche Verteilung der elektrischen Ladungen und/oder der Dipolpolarisation sowie deren Entwicklung im Laufe der Zeit sind entscheidend fuer eine gezielte Verbesserung der Elektretstabilitaet. Dielektrika, die zur elektrischen Isolierung von Hochspannungsanlagen eingesetzt werden, koennen ebenfalls elektrische Raumladungen und/oder Dipolpolarisationen enthalten, deren Verteilungen entscheidend fuer die Beherrschung der damit einhergehenden Eigenschaftsaenderungen sind. Traditionell gelten Raumladungen und Dipolpolarisationen in elektrischen Isolierungen als unerwuenscht und schaedlich, da sie zu erheblichen Verlusten und zu Verzerrungen der inneren elektrischen Felder fuehren koennen. Hohe lokale Felder koennen Alterungsprozesse ausloesen und die Lebensdauer der isolierenden Dielektrika erheblich verkuerzen. Mit dem Aufkommen der Hochspannungs-Gleichstromuebertragung und des Hochspannungskondensators zur Energiespeicherung in den letzten Jahren hat sich die Situation jedoch grundlegend geaendert, da Raumladungen prinzipiell nicht mehr vermeidbar sind und bei entsprechender Gestaltung der Isolierung moeglicherweise sogar von Vorteil sein koennen. Hier ergeben sich nun Ueberschneidungen und Synergien zwischen Elektreten und elektrischen Isoliermaterialien, zumal in beiden Faellen hohe elektrische Gleichfelder auftreten. Waehrend quasi-permanent gespeicherte elektrische Ladungen und/oder stark quasi- permanente oder remanente Dipolpolarisationen das wesentliche Merkmal von Elektreten sind, koennen stabil gespeicherte elektrische Ladungen in elektrischen Isolierungen dazu beitragen, den schaedlichen Ladungstransport und damit die effektive elektrische Leitfaehigkeit der Dielektrika zu reduzieren. Ein kontrolliertes Einbringen von Raumladungen kann die Injektion und die Anhaeufung weiterer Ladungen verhindern, waehrend stark Dipolpolarisationen die Kapazitaet von elektrischen Energiespeichern wesentlich erhoehen koennen. In der vorliegenden Arbeit wurden piezoelektrisch erzeugte Druckstufen (Piezoelectrically generated Pressure Steps oder PPSs) eingesetzt, um die Verteilung elektrischer Ladungen und/oder ausgerichteter elektrischer Dipole in relativ duennen polymeren Dielektrika (Mikrometerbereich) zu untersuchen. Wesentliche Probenmaterialien waren Polypropylen (PP), Komposite aus Polyethylen mit Magnesiumoxid-Nanopartikeln in geringen Mengen (LDPE/MgO) sowie Poly(vinyliden fluorid-trifluorethylen)-Copolymere (P(VDF-TrFE)). PP-Folien, die mit Phosphorsaeure oberflaechenbehandelt wurden, um voneinander isolierte Nanostrukturen an der Oberflaeche zu erzeugen, sind ein Beispiel fuer ein zweidimensionales (2-D) Nanokomposit, waehrend LDPE/MgO ein dreidimensionales (3-D) Nanokomposit darstellt. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Nanopartikel auf der Oberflaeche von saeurebehandeltem PP und im Volumen von LDPE/MgO-Nanokompositen die Ladungsspeicherfaehigkeit des jeweiligen Materials entscheidend verbessern. Damit werden weitere Ladungsinjektionen und der Ladungstransport verhindert, was die 2-D PP- und die 3-D LDPE/MgO-Nanokomposite zu geeigneten Kandidaten sowohl fuer Elektret- als auch fuer Isolationsanwendungen macht. Bei Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Copolymeren auf der Basis von Vinylidenfluorid (VDF) haengt die remanente raeumliche Polarisationsverteilung entscheidend von der jeweiligen Polungsmethode sowie von den Parametern des jeweiligen Polungsvorgangs ab. Hier wurde versucht, eine homogene Polung von P(VDF-TrFE)-Copolymeren mit unterschiedlichen VDF-Gehalten mit dem Verfahren der zyklischen Polung (sogenannte Hysterese-Polung) zu erzeugen. Das Entstehen der remanenten Polarisation und deren raeumliche Verteilung konnten erfasst und interpretiert werden, um Hinweise für eine optimale Polung zu erhalten. An den genannten Beispielen konnte gezeigt werden, dass die Methode der piezoelektrisch erzeugten Druckstufen (PPS) ein leistungsfaehiges Verfahren zur Charakterisierung der Ladungsspeicherung und des Ladungstransports in Dielektrika ist und dass damit ein breites Spektrum von unpolaren Polymeren ueber polare Polymerdielektrika bis hin zu polaren Nanokompositen sinnvoll untersucht werden kann. Es wurden wesentliche Erkenntnisse zur Ladungsspeicherung und zur remanten Polarisation in den untersuchten Polymeren gewonnen. KW - electro-acoustic electric-charge and polarization profiling KW - space charge KW - polypropylene KW - polyethylene nanocomposites KW - magnesium oxide KW - polymer electrets KW - ferroelectrets KW - electrical insulation KW - piezoelectricity KW - ferroelectricity KW - poly(vinylidene fluoride) KW - hysteresis KW - elektroakustische Abtastung elektrischer Ladungen und Dipolpolarisationen KW - elektrische Raumladung KW - Polypropylen KW - Polyethylen-Nanokomposite KW - Magnesiumoxid KW - Polymerelektrete KW - Ferroelektrete KW - elektrische Isolierung KW - Piezoelektrizität KW - Ferroelektrizität KW - Poly(vinylidenfluorid) KW - Hysterese Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-445629 ER - TY - THES A1 - Fang, Peng T1 - Preparation and investigation of polymer-foam films and polymer-layer systems for ferroelectrets T1 - Präparation und Untersuchung von Polymerschaumfolien und Polymerschichtsystemen für Ferroelektrete N2 - Piezoelectric materials are very useful for applications in sensors and actuators. In addition to traditional ferroelectric ceramics and ferroelectric polymers, ferroelectrets have recently become a new group of piezoelectrics. Ferroelectrets are functional polymer systems for electromechanical transduction, with elastically heterogeneous cellular structures and internal quasi-permanent dipole moments. The piezoelectricity of ferroelectrets stems from linear changes of the dipole moments in response to external mechanical or electrical stress. Over the past two decades, polypropylene (PP) foams have been investigated with the aim of ferroelectret applications, and some products are already on the market. PP-foam ferroelectrets may exhibit piezoelectric d33 coefficients of 600 pC/N and more. Their operating temperature can, however, not be much higher than 60 °C. Recently developed polyethylene-terephthalate (PET) and cyclo-olefin copolymer (COC) foam ferroelectrets show slightly better d33 thermal stabilities, but usually at the price of smaller d33 values. Therefore, the main aim of this work is the development of new thermally stable ferroelectrets with appreciable piezoelectricity. Physical foaming is a promising technique for generating polymer foams from solid films without any pollution or impurity. Supercritical carbon dioxide (CO2) or nitrogen (N2) are usually employed as foaming agents due to their good solubility in several polymers. Polyethylene propylene (PEN) is a polyester with slightly better properties than PET. A “voiding + inflation + stretching” process has been specifically developed to prepare PEN foams. Solid PEN films are saturated with supercritical CO2 at high pressure and then thermally voided at high temperatures. Controlled inflation (Gas-Diffusion Expansion or GDE) is applied in order to adjust the void dimensions. Additional biaxial stretching decreases the void heights, since it is known lens-shaped voids lead to lower elastic moduli and therefore also to stronger piezoelectricity. Both, contact and corona charging are suitable for the electric charging of PEN foams. The light emission from the dielectric-barrier discharges (DBDs) can be clearly observed. Corona charging in a gas of high dielectric strength such as sulfur hexafluoride (SF6) results in higher gas-breakdown strength in the voids and therefore increases the piezoelectricity. PEN foams can exhibit piezoelectric d33 coefficients as high as 500 pC/N. Dielectric-resonance spectra show elastic moduli c33 of 1 − 12 MPa, anti-resonance frequencies of 0.2 − 0.8 MHz, and electromechanical coupling factors of 0.016 − 0.069. As expected, it is found that PEN foams show better thermal stability than PP and PET. Samples charged at room temperature can be utilized up to 80 − 100 °C. Annealing after charging or charging at elevated temperatures may improve thermal stabilities. Samples charged at suitable elevated temperatures show working temperatures as high as 110 − 120 °C. Acoustic measurements at frequencies of 2 Hz − 20 kHz show that PEN foams can be well applied in this frequency range. Fluorinated ethylene-propylene (FEP) copolymers are fluoropolymers with very good physical, chemical and electrical properties. The charge-storage ability of solid FEP films can be significantly improved by adding boron nitride (BN) filler particles. FEP foams are prepared by means of a one-step procedure consisting of CO2 saturation and subsequent in-situ high-temperature voiding. Piezoelectric d33 coefficients up to 40 pC/N are measured on such FEP foams. Mechanical fatigue tests show that the as-prepared PEN and FEP foams are mechanically stable for long periods of time. Although polymer-foam ferroelectrets have a high application potential, their piezoelectric properties strongly depend on the cellular morphology, i.e. on size, shape, and distribution of the voids. On the other hand, controlled preparation of optimized cellular structures is still a technical challenge. Consequently, new ferroelectrets based on polymer-layer system (sandwiches) have been prepared from FEP. By sandwiching an FEP mesh between two solid FEP films and fusing the polymer system with a laser beam, a well-designed uniform macroscopic cellular structure can be formed. Dielectric resonance spectroscopy reveals piezoelectric d33 coefficients as high as 350 pC/N, elastic moduli of about 0.3 MPa, anti-resonance frequencies of about 30 kHz, and electromechanical coupling factors of about 0.05. Samples charged at elevated temperatures show better thermal stabilities than those charged at room temperature, and the higher the charging temperature, the better is the stability. After proper charging at 140 °C, the working temperatures can be as high as 110 − 120 °C. Acoustic measurements at frequencies of 200 Hz − 20 kHz indicate that the FEP layer systems are suitable for applications at least in this range. N2 - Piezoelektrische Materialien haben große technische und wirtschaftliche Bedeutung für Anwendungen in Sensoren und Aktuatoren. Neben den traditionellen ferroelektrischen Keramiken und Polymeren bilden Ferroelektrete eine neue Gruppe der Piezoelektrika. Ferroelektrete sind reversible funktionelle Polymersysteme zur Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie und umgekehrt. Sie zeichnen sich aus durch eine elastische zelluläre Struktur mit internen quasi-permanenten Dipolen. Der Mechanismus der Piezoelektrizität in Ferroelektreten wird dominiert von der Änderung der einzelnen Dipolmomente bei Einwirkung einer äußeren mechanischen Kraft. Insbesondere zelluläres Polypropylene (PP) war in den vergangenen zwei Jahrzehnten Gegenstand intensiver Forschung und Entwicklung im Hinblick auf die grundlegenden Eigenschaften und Anwendungen von Ferroelektreten. Einige bereits erhältliche kommerzielle Produkte nutzen die in geladenem zellulären PP erreichbaren hohen piezoelektrischen d33-Koeffizienten von 600 pC/N und mehr, sind aber durch eine relativ geringe maximale Betriebstemperatur von ungefähr 60 °C eingeschränkt. Die kürzlich entwickelten Ferroelektrete aus zellulärem Polyethylenterephthalat (PET) und zellulären Cyclo-Olefin-Copolymeren (COC) zeigen eine bessere Temperaturbeständigkeit (vor allem COC), allerdings gewöhlich auf Kosten von geringeren d33-Koeffizienten. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, temperaturbeständige Ferroelektrete mit für den Markt geeigneten piezoelektrischen Eigenschaften zu entwickeln. Physikalisches Schäumen ist eine beliebte Methode, um besonders reine Polymerschäume herzustellen. Häufig werden, wegen ihrer guten Löslichkeit in vielen Polymeren, Kohlenstoffdioxid (CO2) und Stickstoff (N2) im superkritischen Zustand als Treibmittel eingesetzt. Der Polyester Polyethylennaphtalat (PEN) hat ähnliche Eigenschaften wie PET, ist jedoch temperaturbeständiger. Ein Dreistufenprozess (Schäumen, Aufblähen und Strecken) wurde entwickelt, um PEN-Schäume für hochwertige Ferroelektrete herzustellen. Ungeschäumte PEN-Folien werden mit superkritischem CO2 unter hohem Druck gesättigt und anschließend unter geringem Druck bei Temperaturen nahe der Glastemperatur geschäumt. Um die Hohlräume zu vergrößern, wird der Schaum anschließend mittels Gasdiffusionsexpansion (GDE) aufgebläht. Nach zusätzlichem biaxialen Verstrecken erhält man die optimalen linsenförmigen Zellen, welche zu einer minimalen mechanischen Steifigkeit und einem maximalen piezoelektrischen d33-Koeffizienten des Ferroelektrets führen. Sowohl Korona- als auch Kontaktaufladung werden an zellulärem PEN erfolgreich eingesetzt. Die Lichtemission der dielektrisch behinderten Entladungen (DBDs) kann klar beobachtet werden. Korona-Aufladung in Gasen mit hohen dielektrischen Durchbruchsfestigkeiten, wie z.B. Schwefelhexafluorid (SF6), ermöglicht es, das Paschen-Durchbruchsfeld in den Hohlräumen und damit die erzielbare interne Ladungsdichte zu erhöhen. Dadurch können für zelluläres PEN piezoelektrische d33-Koeffizienten bis zu 500 pC/N erzielt werden. Piezoelektrischen Resonanzmessungen der Ferroelektrete liefern Steifigkeiten c33 im Bereich von 1 – 12 MPa, Antiresonanzfrequenzen von 0.2 – 0.8 MHz und elektromechanische Kopplungsfaktoren zwischen 0.016 und 0.069. PEN-Ferroelektrete zeigen eine bessere Temperaturstabilität als solche aus PP und PET. Der Anwendungsbereich von unbehandeltem PEN reicht bis etwa 80 – 100°C, jener von getemperten oder bei 120°C geladenen Proben bis etwa 110 – 120 °C. Akustische Messungen im Frequenzbereich von 2 Hz – 20 kHz zeigen die Eignung von PEN-Ferroelektretwandlern für Luftschallanwendungen. Fluoriertes Ethylen-Propylen (FEP) ist ein Fluorpolymer mit sehr guten physikalischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften. Die Ladungsspeichereigenschaften von ungeschäumtem FEP können durch die Beimengung von Bornitrid deutlich verbessert werden. In dieser Arbeit wird zelluläres FEP mittels eines einstufigen Prozesses, dem schon erwähnten Schäumen mit überkritischem CO2, hergestellt. Die geladenen FEP-Proben weisen d33-Koeffizienten von bis zu 40 pC/N auf. Ermüdungstests zeigen eine sehr gute mechanische Stabilität von PEN- und FEP-Ferroelektreten. Zelluläre Polymerferroelektrete haben großes Potenzial für Anwendungen, und die Suche nach geeigneten zellulären Morphologien ist eng verknüpft mit dem technischen Aufwand ihrer Herstellung. Alternativ wurden Ferroelektrete mit Sandwich-Strukturen aus FEP-Folien entwickelt. Durch Laserverschmelzen eines FEP-Foliengitters mit zwei umgebenden FEP-Folien wird eine definierte, einheitliche zelluläre Struktur gebildet. Aus dielektrischen Resonanzspektren können effektive piezoelektrische d33-Koeffizienten bis zu 350 pC/N, effektive mechanische Steifigkeiten um 0.3 MPa, Antiresonanzfrequenzen um 30 kHz und elektromechanische Kopplungsfaktoren von etwa 0.05 abgeleitet werden. Proben, welche bei erhöhter Temperatur geladen werden, zeigen höhere Ladungsstabilitäten. Nach geeigneter Aufladung bei 140 °C kann die Arbeitstemperatur bis auf 110 – 120 °C gesteigert werden. Akustische Messungen im Frequenzbereich von 2 Hz – 20 kHz zeigen die Eignung von FEP-Sandwich-Strukturen für Luftschallanwendungen. KW - Elektroaktive Materialien KW - Ferroelektret KW - Piezoelektrizität KW - Polymerschaum KW - Polymerfilm KW - Electroactive material KW - ferroelectret KW - piezoelectricity KW - polymer foam KW - polymer film Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-48412 ER -