Новые виды фосфатных стекол, способных накапливать электрический заряд

С каждым годом исследование поляризационных явлений в диэлектриках приобретает все большее значение не только с теоретической, но и с практической точки зрения. Заметно возрос интерес к диэлектрикам, способным проявлять электретные свойства, т.е. способным образовывать устойчивые во времени сильные внутренние или внешние электрические поля, например, в результате накопления объемного электрического заряда.

Весьма перспективным материалом для получения электретов являются неорганические стекла, так как благодаря технологии их получения, свойственной технологии синтеза неорганических стекол, возможно изготавливать образцы различной конфигурации и размеров.

В результате ранних исследований [ 1 ] было установлено, что необходимым условием получения устойчивых электретов из стекла является гетерогенность их структуры, причем различия в природе гетерогенности на процесс образования устойчивого поля влияния не оказывает. Остаточная поляризация в таких материалах развивается за счет захвата зарядов на границах раздела двух фаз: "стекло-кристалл" (стеклокристаллические материалы), "стекло-стекло" (ликвирующие боросиликатные и борофосфатные стекла). Однако, в целом физическая природа электретного эффекта в неорганических стеклах и ситаллах остается неопределенной. Во всяком случае однозначный вывод о влиянии гетерогенности структурной сетки на электретные свойства указанных материалов сделать нельзя.

Известное свойство высокоомных полимерных материалов образовывать объемный электрический заряд при облучении ионизирующим облучением присуще также и фосфатным стеклам, обладающим гомогенной структурной сеткой.

Нами проведено исследование взаимодействия электронных пучков со стеклами, состав которых соответствует метафосфатам щелочных (Li, Na) и щелочноземельных элементов и метафосфатным стеклам с добавками оксидов-модификаторов I-III групп в количестве 5-25 молярных процентов. Исследуемые стекла обладают физико-химическими свойствами, изменяющимися в широких пределах. Температуры стеклования Т_g и размягчения Т_f для них составляют, соответственно, 245-575⁰С и 269-605⁰С , ТКЛР в диапазоне 20-300⁰С меняется от 54*10^-7 до 178*10^-7 град.^-1, плотность от 2,31 до 3,56, показатель преломления от 1,486 до 1,584. Стекла отличаются высокой прозрачностью и отсутствием избирательного поглощения в диапазоне 0,3 - 3,0 мкм и с помощью электронного микроскопа в них не обнаружено дефектов и признаков расслаивания структуры. Величина удельной проводимости стекол при 20⁰С составляла от 10-13 до 10-15 ом^-1см^-1.

Исследования проводили на образцах стекол диаметром 25 и 40 мм и толщиной от 1 до 25 мм.

Для оценки объемного заряда использовали метод радиационного зондирования вноснованный на измерении возрастания обратного рассеяния электронов или определении других характеристик прохождения электронных пучков через диэлектрические материалы при облучении на ускорителе. Облучение проводили потоком электронов с энергией 1,0 и 1,5 Мэв и плотностью потока 5*10^-8 А/см² и 3,1*10^-10 эл/см².

Экспериментальные исследования позволили установить связь между химическим составом, исходными электрическими характеристиками стекол и свойством образовывать сильные внутренние электрические поля при облучении. Большая величина заряда наблюдается для стекол с меньшей величиной исходной электропроводности, причем наибольший заряд накапливается в стекле метафосфатного состава. Фактором, определяющим величину накопленного заряда, является энергетика структуры стекол. С увеличение силы поля катиона-модификатора, входящего в состав стекла, и с ростом прочности связей уменьшается собственная электропроводность, увеличивается количество глубоких электронных ловушек в запрещенной зоне и происходит увеличение аккумулированного заряда. Например, в стеклах, содержащих низкоатомные катионы-модификаторы Са ++и Mg ++, сила поля которых равна 0,35 и 0,51, соответственно, тормозящее и рассеивающее действие электрического поля на электронные пучки приводит к возрастанию коэффициента обратного рассеяния в 2-2,5 раза, а в стеклах, содержащих катионы Ва ++ и Sr ++(сила поля 0,24 и 0,27, соответственно) - в 1,3 - 1,5 раза. При этом напряженность поля при замене низкоатомных катионов, обладающих большой силой поля, на высокоатомные, обладающие. меньшей силой поля, меняется с 2.2 МВ/см для магнийфосфатного стекла до 0,5 МВ/см для барийфосфатного. Анализ устойчивости заряженного состояния показал, что в среднем период снижения напряженности электрического поля в 2 раза в исследуемых стеклах составляет 30-40 дней, после чего напряженность поля сохраняется практически постоянной в течение нескольких месяцев.

Проведенные исследования позволили разработать новые составы технологичных метафосфатных стекол типа 0,5 P₂O₅-0,45RO-0,05R₂O₃, характеризующихся высокой воспроизводимостью составов во время синтеза. Указанные стекла под действием облучения способны накапливать электрический заряд и удерживать его в течение длительного времени.

Электретное состояние оказалось устойчивым не только в лабораторных, но и в условиях открытой поверхности космических аппаратов. Использование разработанных стекол в космической технике позволит повысить эффективность радиационной защиты элементов высокоорбитальных космических аппаратов от электронного излучения, что приведет к увеличению в два раза и более срока службы объекта в целом.

REFERENCES:
1. Ауслендер В.Л., Лазарев В.Н., Цетлин В.В. Экспериментальное исследование взаимодействия пучков электронов с высокоомным диэлектриком. - ЖТФ, 1983, т.53, №3, С.514-517.