Концентраційні та температурні залежності тепло- та електропровідности епоксидних гібридних композитів графітові нанопластинки/Fe/епоксидна смола

Ю. С. Перец, О. С. Яковенко, Л. Л. Вовченко, Т. А. Лень, О. В. Турков, Л. Ю. Мацуй

Київський національний університет імені Тараса Шевченка, вул. Володимирська, 60, 01033 Київ, Україна

Отримано: 02.07.2022; остаточний варіант - 30.09.2022. Завантажити: PDF

Було досліджено концентраційні та температурні залежності електропровідности та теплопровідности композитних матеріялів (КМ) на основі епоксидної смоли (L285) з комбінованим наповнювачем графітові нанопластинки/карбонільне залізо (ГНП/Fe). Вміст ГНП варіювався від 0,7 до 4,0% об., а вміст Fe — 5,6% об. Виявлено, що додавання частинок Fe в композит GNP/L285 приводить до зменшення теплопровідности і більш складної залежности теплопровідности від концентрації ГНП. Такі зміни теплопровідности для трьохфазних КМ можуть бути пов’язані зі зростанням теплового контактного опору на міжфазних границях матриця–наповнювач, число яких значно зростає при додаванні частинок Fe. Експериментальні концентраційні залежності теплопровідности дво- і трифазних КМ з ГНП описано в рамках комбінованого моделю сумішей. Характер температурних залежностей теплопровідности двохфазних КМ ГНП/L285, Fe/L285 і трьохфазних композитів ГНП/Fe/L285 визначається збільшенням концентрації фононів і зростанням фонон-фононного розсіяння при нагріванні. Виявлено, що додавання 5,6% об. дисперсних частинок Fe у двохфазний композит ГНП/L285 майже не впливає на поріг перколяції, величина якого складає $\phi_{\textrm{c}}$ = 1,8% об. Це означає, що електропровідні ланцюжки формуються переважно з частинок ГНП у трифазному композиті, а електропровідні частинки не формують окремих неперервних ланцюжків і можуть виконувати лише роль «містків», що з’єднують частинки ГНП в електропровідних ланцюжках. Для концентрацій гібридного наповнювача вище порогу перколяції в рамках моделю ефективного електроопору було оцінено кількість електропровідних ланцюжків та величину контактного електроопору між частинками ГНП. Показано, що в КМ із вмістом ГНП менше та в околі порогу перколяції електронний транспорт в композитах здійснюється, головним чином, за рахунок стрибкового механізму провідности, а при концентраціях ГНП вище порогу перколяції реалізується тунельний механізм провідности внаслідок утворення великої кількости електропровідних ланцюжків з невеликим проміжком між провідними частинками.

Ключові слова: залізо, графітові нанопластинки, трифазний композит, теплопровідність, електропровідність.

URL: https://mfint.imp.kiev.ua/ua/abstract/v44/i10/1255.html

PACS: 07.79.-v, 44.35.+c, 65.80.Ck, 72.80.Tm, 72.90.+y, 75.50.Bb


ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
  1. V. Koci and T. Loubal, Acta Envir. Univ. Comenianae, 20: 62 (2012).
  2. X. Xu, J. Chen, J. Zhou, and B. Li, Adv. Mater., 30, Iss. 17: 1705544 (2018). Crossref
  3. B. Kumanek and D. Janas, J. Mater. Sci., 54: 7397(2019). Crossref
  4. H. S. Kim, H. S. Bae, J. Yu, and S. Y. Kim, Sci. Rep., 6: 26825 (2016). Crossref
  5. J. A. King, Polym. Compos., 20: 643 (2004). Crossref
  6. Z. Han, Prog. Polym. Sci., 36: 914 (2011). Crossref
  7. Y. Mamunya, V. Davydenko, P. Pissis, and E. Lebedev, Europ. Polym. J., 38: 1887 (2002). Crossref
  8. X. Huang, P. Jiang, and C. J. Kim, Appl. Phys., 102: 124103 (2007). Crossref
  9. D. Zhu, W. Yu, H. Du, L. Chen, Y. Li, and H. Xie, J. Nanomater., 2016: 3089716 (2016). Crossref
  10. K. Y. Leong, M. R. A. Rahman, and B. A. Gurunathan, J. Energy Stor., 21: 18 (2019). Crossref
  11. Q. Zhang, Z. Luo, Q. Guo, and G. Wu, Energy Conver. Manag., 136: 220 (2017). Crossref
  12. L.-W. Fan, X. Fang, X. Wang, Y. Zeng, Y.-Q. Xiao, Z.-T. Yu, X. Xu, Y.-C. Hu, and K.-F. Cen, Appl. Energy, 110: 163 (2013). Crossref
  13. N. Burger, A. Laachachi, M. Ferriol, M. Lutz, V. Toniazzo, and D. Ruch, Prog. Polym. Sci., 61: 1 (2016). Crossref
  14. N. Gupta, A. Kumar, H. Dhasmana, V. Kumar, A. Kumar, P. Shukla, and V. K. Jain, J. Energy Stor., 32: 101773 (2020). Crossref
  15. A. R. Rathmell, S. M. Bergin, Y.-L. Hua, Z.-Y. Li, and B. J. Wiley, Adv. Mater., 22: 3558 (2010). Crossref
  16. H. Wei, Z. Zhang, G. Hussain, L. Zhou, Q. Lid, and K. Ostrikov, Appl. Mater. Today, 19: 100596 (2020). Crossref
  17. S. K. Kaur, S. B. Chawla, and K. Narang, J. Magn. Magn. Mater., 422: 304 (2017). Crossref
  18. J. Kong, F. Wang, X. Wan, J. Liu, M. Itoh, and K. Machida, Mater. Lett., 78: 69 (2012). Crossref
  19. C. Zhang, Y. Yao, J. Zhan, J. Wu, and C. Li, J. Phys. D Appl.Phys., 46: 495308 (2013). Crossref
  20. F. Ma, Y. Qin, and Y.-Z. Li, Appl. Phys. Lett., 96: 202507 (2010). Crossref
  21. J. Li, J. Huang, Y. Qin, and F. Ma, Mater. Sci. Eng. B, 138: 199 (2007). Crossref
  22. F. Mederos-Henry, J. Mahin, B. P. Pichon, M. M. Dîrtu, Y. Garcia, A. Delcorte, C. Bailly, I. Huynen, and S. Hermans, Nanomaterials, 9: 1196 (2019). Crossref
  23. J. Liang, Carbon, 47: 922 (2009). Crossref
  24. R. J. Young, Compos. Sci. Technol., 72: 1459 (2012). Crossref
  25. H. Yang, J. Mater. Chem., 19: 4632 (2009). Crossref
  26. Shuai Wang, Perq-Jon Chia, Lay-Lay Chua, Li-Hong Zhao, Rui-Qi Png, Sankaran Sivaramakrishnan, Mi Zhou, Roland G.-S. Goh, Richard H. Friend, Andrew T.-S. Wee, Peter K.-H. Ho, Adv. Mater., 20: 3440 (2008). Crossref
  27. X. Y. Yuan, EXPRESS Polym. Lett., 6: 847 (2012). Crossref
  28. M. M. Gudarzi, EXPRESS Polym. Lett., 6: 1017 (2012). Crossref
  29. H. Malekpour, P. Ramnani, S. Srinivasan, G. Balasubramanian, D. L. Nika, A. Mulchandani, R. K. Lake, and A. A. Balandin, Nanoscale, 8: 14608 (2016). Crossref
  30. M. Segal, Nature Nanotech., 4: 612 (2009). Crossref
  31. L. Yu, Y. Zhu, and Y. Fu, RSC Adv., 7: 36473 (2017). Crossref
  32. N. Li, G. Huang, H. Xiao, Q. Feng, and S. Fu, Carbon, 144: 216 (2019). Crossref
  33. S. Sankaran, K. Deshmukh, M. Basheer Ahamed, and S. K. Khadheer Pasha, Compos. A: Applied Sci. Manuf., 114: 49 (2018). Crossref
  34. F. Ren, D. P. Song, Z. Li, L. C. Jia, Y. Zhao, D. Y. Yan, and P. G. Ren, J. Mater. Chem. C, 6: 1476 (2018). Crossref
  35. H. Fang, H. Guo, Y. Hu, Y. Ren, P.-C. Hsu, and S.-L. Bai, Compos. Sci. Technol., 188: 107975 (2020). Crossref
  36. O. Lazarenko, L. Vovchenko, L. Matzui, and Ju. Perets, Mol. Cryst. Liq. Crys., 536: 72 (2011). Crossref
  37. L. Y. Matzui, L. L. Vovchenko, Y. S. Perets, and O. A. Lazarenko, Materwiss. Werksttech., 44: 254 (2013). Crossref
  38. L. Vovchenko, L. Matzui, V. Oliynyk, V. Launetz, V. Zagorodnii, and O. Lazarenko, Electrical and Shielding Properties of Nanocarbon-Epoxy Composites (Ed. V. Mitchell) (New York: Nova Science Publishers: 2016), p. 29.
  39. D. Stauffer, Introduction to Percolation Theory (London: Taylor Francis: 1992).
  40. A. Mikrajuddin, Materials Sci.in Semicond. Processing, 2: 321 (1999). Crossref
  41. N. Hu, Carbon, 48: 680 (2010). Crossref
  42. P. Saha, Geosci. Front., 1: 1755 (2020).
  43. D. Bigg, Polym. Compos., 7: 125 (1986). Crossref
  44. Y. P. Mamunya, Polym. Eng. Sci., 47: 34 (2007). Crossref
  45. G. C. Psarras, Compos. A: Appl. Sci. Manuf., 37: 1545 (2006). Crossref
  46. L. L. Vovchenko, T. A. Len, L. Yu. Matzui, O. V. Turkov, and Yu. S. Perets, J. Nano-Electron. Phys., 11: 03007 (2019). Crossref