TY - THES A1 - Qiu, Xunlin T1 - Ferroelectrets: heterogenous polymer electrets with high electromechanical response T1 - Ferroelektrete: heterogene Polymer-Elektrete mit großen elektromechanischen Effekten N2 - Ferroelectrets are internally charged polymer foams or cavity-containing polymer-_lm systems that combine large piezoelectricity with mechanical flexibility and elastic compliance. The term “ferroelectret” was coined based on the fact that it is a space-charge electret that also shows ferroic behavior. In this thesis, comprehensive work on ferroelectrets, and in particular on their preparation, their charging, their piezoelectricity and their applications is reported. For industrial applications, ferroelectrets with well-controlled distributions or even uniform values of cavity size and cavity shape and with good thermal stability of the piezoelectricity are very desirable. Several types of such ferroelectrets are developed using techniques such as straightforward thermal lamination, sandwiching sticky templates with electret films, and screen printing. In particular, uoroethylenepropylene (FEP) _lm systems with tubular-channel openings, prepared by means of the thermal lamination technique, show piezoelectric d33 coefficients of up to 160 pC/N after charging through dielectric barrier discharges (DBDs) . For samples charged at suitable elevated temperatures, the piezoelectricity is stable at temperatures of at least 130°C. These preparation methods are easy to implement at laboratory or industrial scales, and are quite flexible in terms of material selection and cavity geometry design. Due to the uniform and well-controlled cavity structures, samples are also very suitable for fundamental studies on ferroelectrets. Charging of ferroelectrets is achieved via a series of dielectric barrier discharges (DBDs) inside the cavities. In the present work, the DBD charging process is comprehensively studied by means of optical, electrical and electro-acoustic methods. The spectrum of the transient light from the DBDs in cellular polypropylene (PP) ferroelectrets directly confirms the ionization of molecular nitrogen, and allows the determination of the electric field in the discharge. Detection of the light emission reveals not only DBDs under high applied voltage but also back discharges when the applied voltage is reduced to sufficiently low values. Back discharges are triggered by the internally deposited charges, as the breakdown inside the cavities is controlled by the sum of the applied electric field and the electric field of the deposited charges. The remanent effective polarization is determined by the breakdown strength of the gas-filled cavities. These findings form the basis of more efficient charging techniques for ferroelectrets such as charging with high-pressure air, thermal poling and charging assisted by gas exchange. With the proposed charging strategies, the charging efficiency of ferroelectrets can be enhanced significantly. After charging, the cavities can be considered as man-made macroscopic dipoles whose direction can be reversed by switching the polarity of the applied voltage. Polarization-versus-electric-field (P(E)) hysteresis loops in ferroelectrets are observed by means of an electro-acoustic method combined with dielectric resonance spectroscopy. P(E) hysteresis loops in ferrroelectrets are also obtained by more direct measurements using a modified Sawyer-Tower circuit. Hysteresis loops prove the ferroic behavior of ferroelectrets. However, repeated switching of the macroscopic dipoles involves complex physico-chemical processes. The DBD charging process generates a cold plasma with numerous active species and thus modifies the inner polymer surfaces of the cavities. Such treatments strongly affect the chargeability of the cavities. At least for cellular PP ferroelectrets, repeated DBDs in atmospheric conditions lead to considerable fatigue of the effective polarization and of the resulting piezoelectricity. The macroscopic dipoles in ferroelectrets are highly compressible, and hence the piezoelectricity is essentially the primary effect. It is found that the piezoelectric d33 coefficient is proportional to the polarization and the elastic compliance of the sample, providing hints for developing materials with higher piezoelectric sensitivity in the future. Due to their outstanding electromechanical properties, there has been constant interest in the application of ferroelectrets. The antiresonance frequencies (fp) of ferroelectrets are sensitive to the boundary conditions during measurement. A tubular-channel FEP ferroelectret is conformably attached to a self-organized minimum-energy dielectric elastomer actuator (DEA). It turns out that the antiresonance frequency (fp) of the ferroelectret film changes noticeably with the bending angle of the DEA. Therefore, the actuation of DEAs can be used to modulate the fp value of ferroelectrets, but fp can also be exploited for in-situ diagnosis and for precise control of the actuation of the DEA. Combination of DEAs and ferroelectrets opens up various new possibilities for application. N2 - Ferroelektrete sind intern geladene Polymerschäume oder Polymerfilmsysteme mit definierten Hohlräumen, die große piezoelektrische Koeffizienten mit guter mechanischer Flexibilität und hoher elastischer Nachgiebigkeit vereinen. Der Begriff „Ferroelektret“ weist darauf hin, dass es sich um einen Ladungselektret handelt, der gleichzeitig ferroisches Verhalten zeigt. In der vorliegenden Arbeit werden umfangreiche Untersuchungen an Ferroelektreten, insbesondere zu ihrer Herstellung und Aufladung, ihrer Piezoelektrizität sowie ihren Anwendungen beschrieben und diskutiert. Für industrielle Anwendungen sind Ferroelektrete mit gut kontrollierten Verteilungen oder sogar einheitlichen Werten von Hohlraumgröße und Hohlraumform und mit hoher thermischer Stabilität der Piezoelektrizität sehr wünschenswert. Mehrere Typen solcher Ferroelektrete werden unter Verwendung von thermisch laminierten Folien, von Schichtaufbauten mit aufeinander haftenden Elektretfilmen und von Siebdruck-Verfahren entwickelt. Insbesondere zeigen durch thermisches Laminieren hergestellte Kopolymer-filmsysteme aus Fluor-Ethylen-Propylen (FEP) mit röhrenförmigen Kanälen parallel zur Oberfläche nach Aufladung durch dielektrische Barrierenentladungen (DBDs) piezoelektrische d33-Koeffizienten von bis zu 160 pC/N. Bei Proben, die bei erhöhten Temperaturen aufgeladen werden, ist die Piezoelektrizität bis mindestens 130 °C stabil. Die Herstellungsverfahren sind leicht im Labor- oder im Industriemaßstab zu realisieren, und sie sind hinsichtlich der Materialauswahl und der Hohlraumgeometrie sehr flexibel verwendbar. Aufgrund der gleichmäßigen und gut kontrollierbaren Hohlraumstrukturen eignen sich solche Proben auch für Grundlagenuntersuchungen an Ferroelektreten. Das Aufladen von Ferroelektreten erfolgt über dielektrische Barrierenentladungen (DBDs) innerhalb der Hohlräume. In der vorliegenden Arbeit wird diese Polungtechnik mittels optischer, elektrischer und elektroakustischer Verfahren umfassend untersucht. Das Spektrum des transienten Lichts aus den DBDs in zellulären Polypropylen (PP)-Ferroelektreten bestätigt die Ionisierung von molekularem Stickstoff und ermöglicht die Bestimmung des lokalen elektrischen Felds in der Entladung. Die damit verbundene Lichtemission zeigt nicht nur DBDs bei hoher angelegter Spannung, sondern auch Rückentladungen, wenn die angelegte Spannung auf ausreichend niedrige Werte reduziert wird. Die Rückentladungen werden durch die deponierten Ladungen ausgelöst, da der elektrische Durchschlag in den Hohlräumen durch die Summe des von außen angelegten elektrischen Felds und des elektrischen Felds der deponierten Ladungen bestimmt wird. Die remanente Polarisation wird durch die Durchschlagsfestigkeit der gasgefüllten Hohlräume begrenzt. Diese Erkenntnisse bilden die Grundlage für effizientere Aufladungsverfahren für Ferroelektrete wie z.B. das Aufladen in Luft unter erhöhtem Druck, das thermische Polen und das Aufladen mit gezieltem Gasaustausch. Mit den vorgeschlagenen Aufladestrategien kann die Effizienz der Aufladung von Ferroelektreten deutlich gesteigert werden. Die intern geladenen Hohlräume können als makroskopische Dipole betrachtet werden, deren Orientierung durch Umschalten der Polarität der angelegten Spannung umgekehrt werden kann. Hysteresekurven für das Verhalten der elektrischen Polarisation bei Variation des elektrischen Felds, d.h. sogenannte P(E)-Hysteresekurven, können in Ferroelektreten mittels eines elektroakustischen Verfahrens in Kombination mit der dielektrischen Resonanzspektroskopie beobachtet werden. Darüber hinaus können P(E)-Hysteresekurven auch durch direkte Messung des Polarisationsstromes unter Verwendung einer modifizierten Sawyer-Tower-Schaltung erhalten werden. Solche Hystereseschleifen sind ein direkter Nachweis des ferroischen Verhaltens der Ferroelektrete. Das wiederholte Schalten der makroskopischen Dipole ist jedoch von komplexen physikalisch-chemischen Prozessen begleitet. Der DBD-Ladeprozess erzeugt ein kaltes Plasma mit zahlreichen aktiven Spezies und modifiziert dadurch die inneren Oberflächen der Hohlräume. Dies wirkt sich in erheblichem Maße auf die wiederholte Aufladbarkeit der Hohlräume aus. So führen bei zellulären PP-Ferroelektreten wiederholte DBDs unter normalen atmosphärischen Bedingungen zu einer deutlichen Reduzierung der effektiven Polarisation und der daraus resultierenden Piezoelektrizität. Die makroskopischen Dipole in Ferroelektreten sind hoch-kompressibel, daher beruht die Piezoelektrizität im Wesentlichen auf dem primären piezoelektrischen Effekt, d.h. der Veränderung der Dipolmomente. Es wurde festgestellt, dass der piezoelektrische d33-Koeffizient proportional zur elektrischen Polarisation und zur elastischen Nachgiebigkeit der Probe ist. Daraus können Folgerungen für die künftige Entwicklung von Materialien mit höherer piezoelektrischer Empfindlichkeit gezogen werden. Aufgrund ihrer hervorragenden elektromechanischen Wandler-Eigenschaften besteht ständiges Interesse an der Anwendung von Ferroelektreten. Die Antiresonanzfrequenzen (fp) von Ferroelektreten hängen von den Randbedingungen des jeweiligen Experiments ab. So wurde ein FEP-Ferroelektret mit röhrenförmigen Kanälen mit einem dielektrischen Elastomer-Aktuator (DEA) in einer sich selbst einstellenden Konfiguration minimaler Energie kombiniert. Es zeigte sich, dass sich die Antiresonanzfrequenz des Ferroelektretfilms mit dem Biegewinkel des DEA merklich ändert. Somit können DEAs zur Modulation des fp –Wertes von Ferroelektreten eingesetzt werden, und umgekehrt können piezoelektrische Antiresonanzen für die in-situ-Diagnose und für eine präzise Ansteuerung von DEAs Anwendung finden. Auf diese Weise eröffnet die Kombination von DEAs und Ferroelektreten neue Anwendungsperspektiven nicht nur in der Sensorik und der Aktorik, sondern auch zur Energiegewinnung aus der Umgebung (sogenanntes „energy harvesting“). KW - ferroelectrets KW - electromechanical transducers (sensors and actuators) KW - thin flexible and conformable films KW - piezo-, pyro- and ferroelectricity KW - Ferroelektrete KW - elektromechanische Wandler (Sensoren und Aktoren) KW - dünne, flexible und formbare Schichten KW - Piezo-, Pyro-und Ferroelektrizität Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-398425 ER - TY - GEN A1 - Nguyen, Quyet Doan A1 - Gerhard, Reimund T1 - LDPE/MgO Nanocomposite Dielectrics for Electrical-Insulation and Ferroelectret-Transducer Applications T2 - 2018 IEEE 2nd International Conference on Dielectrics (ICD) N2 - Published results on LDPE/MgO nanocomposites (3wt%) show that they promise to be good electrical-insulation materials. In this work, the nanocomposites are examined as a potential (ferro-)electret material as well. Isothermal surface-potential decay measurements show that charged LDPE/MgO films still exhibit significant surface potentials after heating for 4 hours at 80 degrees C, which suggests good capabilities of LDPE/MgO nanocomposites to hold electric charges of both polarities. Open-tubular-channel ferroelectrets prepared from LDPE/MgO nanocomposite films show significant piezoelectricity with d(33) coefficients of about 20 pC/N after charging and are stable up to temperatures of at least 80 degrees C. Thus LDPE/MgO nanocomposites may become available as a new ferroelectret material. To increase their d(33) coefficients, it is desirable to optimize the charging conditions and the ferroelectret structure. KW - ferroelectrets KW - LDPE nanocomposites KW - electroacoustic probing KW - space-charge and polarization profiles KW - thermally stimulated discharge Y1 - 2018 SN - 978-1-5386-6389-9 SN - 978-1-5386-6388-2 SN - 978-1-5386-6390-5 PB - IEEE CY - New York ER - 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 -