Исследование влияния восстановленного оксида графена на пьезоэлектрические свойства микропилларсов на основе поливинилиденфторида

Работа посвящена исследованию микропилларсов из поливинилиденфторида с наполнителем и без него, полученных методом микроимпринтинга поверхности полимера с помощью штампа-пластика на основе полидиметилсилоксана и дальнейшей обработки. Восстановленный оксид графена использован в качестве наполнителяя. В ходе работы были использованы следующие методы исследований: сканирующая электронная микроскопия, дифференциальная сканирующая калориметрия, инфракрасная спектроскопия, пьезо-силовая микроскопия.

Введение ……………………………………………………………………………………………………… 12
1 Пьезоэлектрические свойства поливинилиденфторида ………………………………. 15
1.1 Пьезоэлектричество …………………………………………………………………………….. 15
1.2 Физические основы пьезоэлектрического эффекта ………………………………. 15
1.3 Пьезоэлектрические материалы …………………………………………………………… 17
1.4 Применение пьезоэффекта …………………………………………………………………… 22
1.5 Поливинилиденфторид и его пьезоэлектрические свойства ………………….. 23
2 Объекты и методы исследования ………………………………………………………………. 27
2.1 Подготовка микропилларсов ……………………………………………………………….. 27
2.2 Методы исследования………………………………………………………………………….. 29
2.2.1 Сканирующая электронная микроскопия ……………………………………….. 29
2.2.2 Дифференциальная сканирующая калориметрия…………………………….. 30
2.2.3 Инфракрасная спектроскопия…………………………………………………………. 30
2.2.4 Пьезо–силовая микроскопия ………………………………………………………….. 31
3 Полученные экспериментальные результаты …………………………………………….. 38
3.1 Морфология микропилларсов ……………………………………………………………… 38
3.2 Кристалличность …………………………………………………………………………………. 40
3.3 Кристаллическая структура …………………………………………………………………. 41
3.4 Пьезоэлектрический отклик …………………………………………………………………. 43
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение ……. 51
4.1 Предпроектный анализ ………………………………………………………………………… 51
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования …………………. 51
4.1.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения …………………………………………. 52
4.1.3 SWOT–анализ ………………………………………………………………………………… 55
4.2 Инициация проекта ……………………………………………………………………………… 58
4.2.1 Цели и результат проекта ……………………………………………………………….. 59
4.2.2 Организационная структура проекта ………………………………………………. 60
4.3 План проекта……………………………………………………………………………………….. 62
4.4 Бюджет научного исследования …………………………………………………………… 65
4.4.1 Сырье, материалы, покупные изделия и полуфабрикаты ………………… 65
4.4.2 Специальное оборудование для научных работ ………………………………. 66
4.4.3 Основная заработная плата …………………………………………………………….. 67
4.4.4 Дополнительная заработная плата научно–производственного
персонала ………………………………………………………………………………………………. 69
4.4.5 Отчисления на социальные нужды …………………………………………………. 70
4.4.6 Накладные расходы ……………………………………………………………………….. 70
4.5 Реестр рисков проекта …………………………………………………………………………. 72
4.6 Оценка сравнительной эффективности исследования …………………………… 73
5 Социальная ответственность …………………………………………………………………….. 78
Введение…………………………………………………………………………………………………… 78
5.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов ……………………… 79
5.2 Обоснование и разработка мероприятий по снижению уровней опасного и
вредного воздействия и устранению их влияния на персонал …………………….. 80
5.2.1 Организационные мероприятия ……………………………………………………… 80
5.2.2 Организация рабочего места оператора ПЭВМ ………………………………. 81
5.2.3 Условия безопасной работы …………………………………………………………… 83
5.3 Химическая безопасность ……………………………………………………………………. 85
5.4 Экологическая безопасность………………………………………………………………… 88
5.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях …………………………………………….. 90
5.5.1 Электробезопасность ……………………………………………………………………… 90
5.5.2 Пожарная и взрывная безопасность ………………………………………………… 93
Заключение ………………………………………………………………………………………………. 96
Заключение …………………………………………………………………………………………………. 97
Список публикаций ……………………………………………………………………………………… 99
Список литературы ……………………………………………………………………………………. 100
Приложение А …………………………………………………………………………………………… 109
Contents…………………………………………………………………………………………………… 110
Introduction ……………………………………………………………………………………………… 111
1 Preparation of micropillars………………………………………………………………………. 113
2 Materials and methods ……………………………………………………………………………. 116
2.1 Scanning electron microscopy ……………………………………………………………. 116
2.2 Differential Scanning Calorimetry………………………………………………………. 117
2.3 Piezoforce Microscopy ……………………………………………………………………… 119

Данное исследование предполагает работу с высоким напряжением и
вредными химическими веществами (ацетон, диметилформамид). Полученные
результаты раздела «Социальная ответственность» содержат в себе основные
рекомендации и указания, которые следует выполнять при разработке,
изготовлении и исследовании микроструктурированных пленок на основе
ПВДФ. Данные указания возможно в дальнейшем использовать не только при
получении пленок из ПВДФ, но также и при создании любых структур на
основе полимеров.
Заключение

В рамках данной выпускной квалификационной работы были получены
микропилларсы ПВДФ высотой 2±0,2 мкм, 19,5±1,5 мкм за период и средней
шириной 9,5±0,2 мкм с восстановленным оксидом графена методом
импринтинга. для исследования морфологии, кристаллической структуры и
пьезоэлектрических свойств использовались следующие методы:
 сканирующая электронная микроскопия;
 дифференциальная сканирующая калориметрия;
 инфракрасная спектроскопия;
 пьезосиловая микроскопия.
По результатам данного исследования выявлено усиление
пьезоэлектрического отклика микропилларсов ПВДФ, закаленных при –20 ° C,
и микропилларсов с добавлением rGO. На основании полученных результатов
исследований можно сделать следующие выводы:
 добавление rGO и закалка при –20° C не влияют на морфологию
микропилларсов;
 наличие 0.1 мас.% rGO увеличивает степень кристалличности на 15
% по сравнению с микропилларсами из чистого ПВДФ;
 добавление 0.1 мас.% rGO вызвало увеличение содержания β-фазы
в образцах на 3%;
 результаты работы дают качественное представление об усилении
пьезоэлектрического отклика микропилларсов, закаленных при –20°C, и
микропилларсов с rGO. Максимальный пьезоотклик полученных
микропилларсов ПВДФ составил 86 пм /В и 87 пм /В для закаленного чистого
образца ПВДФ и образца с 0.1 мас.% rGO, соответственно. Это значительно
выше по сравнению с |d33eff| отпечатанных ПВДФ микропилларсов (64 пм/В).
Таким образом, основной вклад в увеличение пьезоотклика вносит термическая
обработка образцов;
 пьезоэлектрические свойства усиливаются путем упорядочивания
направления доменов, которое индуцируется в микропилларсах ПВДФ без
приложения напряжения во время синтеза, что является важным
преимуществом подхода, использованного в данной работе.
Подход, использованный в данной работе, позволяет производить
прямую печать или градиентное охлаждение полученных сегнетоэлектрических
структур без каких–либо этапов последующей обработки, которые могут
ухудшить функциональные свойства ПВДФ.
Помимо исследовательской работы было проведено сравнение
экономических затрат, связанных с получением пьезоэлектриков,
представленных в данной работе и имеющихся в мире аналогов. В рамках
данного анализа на основании расчета затрат данного проекта была
произведена оценка сравнительной эффективности проекта с аналогами.
Результаты проведенного исследования могут быть использованы в
микроэлектронике.
Список публикаций

1. Ivanova A.A. et al. Poling and annealing of piezoelectric poly(vinylidene
fluoride) micropillar arrays //Materials Chemistry and Physics. Received: 30
March 2019.
2. Ivanova A.A. et al. Piezoelectric response in hybrid micropillar arrays of
poly(vinylidene fluoride) and reduced graphene oxide // Micro- and Nano-
Fabrication Approaches for Polymers. Received: 8 May 2019.