Construção, desenvolvimento e optimização de sistema de polarização por Corona para materiais ferroelétricos

Abstract

Existe um crescente interesse científico e tecnológico em polímeros ferroeléctricos e piezoeléctricos e, consequentemente, torna-se necessário o estudo dos fenómenos de polarização e dos métodos de polarização destes materiais. A polarização destes materiais permite a activação da sua resposta para potenciais aplicações. Assim sendo, o objectivo central deste trabalho foi o desenvolvimento de um sistema de polarização por descarga de corona para a realização de ensaios de polarização em polímeros ferroeléctricos e piezoeléctricos. O sistema desenvolvido permite aplicar os métodos de polarização de descarga de corona simples e método de corrente constante e o estudo da influência dos parâmetros de polarização na resposta macroscópica electroactiva dos materiais. Neste trabalho apresenta-se inicialmente uma revisão bibliográfica sobre as características ferroeléctricas e piezoeléctricas dos materiais, assim como sobre materiais poliméricos electroactivos. Apresenta igualmente uma revisão e análise de diferentes métodos e sistemas de polarização. Finalmente é apresentado o sistema de polarização por descarga de corona desenvolvido, bem como uma descrição dos componentes do sistema. Posteriormente ao desenvolvimento do sistema, procedeu-se a ensaios de polarização do polímero poli(fluoreto de vinilideno), PVDF, de forma a, inicialmente, validar o sistema de polarização para os métodos de descarga de corona e método de corrente constante e seguidamente estudar e optimizar os parâmetros de polarização de amostras de β-PVDF. Foram realizados ensaios de polarização variando a temperatura da amostra, tempo de polarização e tensão de descarga de corona aplicada, sendo posteriormente medido o coeficiente piezoeléctrico das amostras. Verificou-se que é possível optimizar os valores de coeficiente piezoeléctrico através do controlo do tempo de polarização e temperatura da amostra. Verificou-se finalmente que o processo de polarização não altera significativamente o grau de cristalinidade, a temperatura de fusão ou a percentagem de fase β das amostras.

There is a growing technological and scientific interest in ferroelectric and piezoelectric polymers and, therefore, the polarization methods and polarization phenomena for these materials need to be fully researched and studied, since it is the polarization of the material that enables the activation of the piezoelectric response. Thus, the main objective of this work was the development of a corona discharge polarization method for polarization research and testing in ferroelectric and piezoelectric polymers. The developed poling system may be adapted for simple corona discharge poling methods and/or for corona triode constant current methods, enabling the study of the influence of the poling parameters on the macroscopic electroactive response of the poled materials. Initially, this work presents a review of the ferroelectric and piezoelectric properties of materials, focusing on the main ferroelectric and piezoelectric characteristics of electroactive polymeric materials. Additionally, a review of the more common and widely used polarization methods is presented. Next, the developed corona discharge poling system is presented, along with a description of all the system’s components. After the development of the poling system, polarization tests using the ferroelectric polymer poly(vinylidene fluoride), PVDF, were performed in order to validate the developed poling system for the corona discharge poling method and constant current poling method, and also to study and optimize the poling parameters of β-PVDF samples. The poling tests were performed controlling the polarization time, corona discharge voltage and sample temperature, and subsequently measuring the piezoelectric coefficient of the poled samples. It is demonstrated that it’s possible to optimize the piezoelectric coefficient of the samples by controlling the polarization time and sample temperature parameters. Finally, it is established that the polarization process does not significantly alter the crystallinity degree, melting temperature or the β-phase content of the polymeric samples.