Sifat Elektrikal Komposit Hibrida Berdasarkan Nanotube Karbon Multiwall dengan Nanoplatelet Grafit

Abstrak

Dalam karya ini, kami telah menyelidiki ketergantungan konsentrasi konduktivitas listrik komposit monopolimer dengan nanoplatelet grafit atau nanotube karbon multiwall dan komposit hibrida dengan nanotube karbon multiwall dan nanoplatelet grafit. Pengisi terakhir ditambahkan ke sistem yang diberikan dengan kandungan 0,24 vol%. Isi nanotube karbon multiwall bervariasi dari 0,03 hingga 4 vol%. Sebelum dimasukkan ke dalam resin epoksi, nanoplatelet grafit menjadi sasaran perlakuan ozon ultraviolet selama 20 menit. Ditemukan bahwa penambahan nanokarbon ke suspensi viskositas rendah (polimer, aseton, pengeras) menghasilkan pembentukan dua transisi perkolasi. Transisi perkolasi komposit berdasarkan karbon nanotube adalah yang terendah (0,13 vol%).

Ditentukan bahwa kombinasi dua pengisi elektrokonduktif dalam polimer viskositas rendah menghasilkan efek sinergis di atas ambang perkolasi, yang terungkap dalam peningkatan konduktivitas hingga 20 kali lipat. Perhitungan jumlah rantai konduktif dalam komposit dan resistansi kontak dalam kerangka model resistivitas listrik efektif memungkinkan kami untuk menjelaskan sifat efek sinergis. Pengurangan hambatan kontak listrik pada komposit hibrida mungkin terkait dengan lapisan polimer yang lebih tipis antara partikel pengisi dan semakin banyak partikel yang mengambil bagian dalam rangkaian elektrokonduktif.

Latar Belakang

Menggunakan beberapa pengisi secara bersamaan (kebanyakan campuran) adalah tren beberapa tahun terakhir karena dapat secara signifikan meningkatkan sifat bahan komposit yang dihasilkan (CM), seperti konduktivitas listrik dan termal, sifat elastis—kekuatan, modulus Young, suhu transisi gelas, dan sifat mekanis. kerugian dibandingkan dengan CM dengan pengisi tunggal. Penambahan pengisi multi-komponen ke matriks polimer mendorong interaksi antara pengisi ini. Dengan demikian, peningkatan konduktivitas sebagai hasil dari efek sinergis diamati pada CM berdasarkan polietilen dengan partikel grafit dan serat karbon (CF) [1] serta dalam CM yang mengandung karbon hitam dan CF [2, 3]. Mekanisme peningkatan konduktivitas terdiri dari perkolasi ganda dan mewakili fungsi CF dalam peningkatan konektivitas jalur konduktif. Koeksistensi dua jaring konduktif yang dibentuk oleh partikel karbon hitam dan serat karbon yang saling memperkuat, mengarah pada peningkatan yang signifikan dalam karakteristik listrik CM, karena pengisi berserat berinteraksi dengan partikel bulat karbon hitam yang merangsang pembentukan jaringan konduktif dalam matriks polimer.

Perkolasi klasik dengan satu transisi tajam dari keadaan non-konduktif ke keadaan konduktif umumnya diharapkan untuk komposit yang diisi dengan partikel yang sangat konduktif. Sejauh ini, banyak model dan persamaan yang berbeda telah diusulkan untuk deskripsi perilaku konduktivitas [4, 5].

Namun, dalam banyak pengamatan eksperimental, perkolasi dalam komposit lebih rumit. Kehadiran dua langkah (perkolasi ganda), beberapa langkah (perkolasi ganda), dan bahkan jenis transisi perkolasi kabur (diolesi) telah dilaporkan [6,7,8,9,10,11,12]. Karakter ambang perkolasi ditentukan oleh distribusi partikel, jenisnya, dan jenis kontak listrik, efek geometris, dan distribusi selektif partikel konduktif dalam media multi-komponen (misalnya, dalam campuran polimer). Keberadaan proses pembentukan jaringan statis dan kinetik, serta struktur inti-kulit partikel, mungkin bertanggung jawab atas ambang perkolasi ganda.

Efek sinergis dapat muncul dalam peningkatan sifat listrik atau termal dari CM, bahkan ketika salah satu pengisi tidak sangat elektrik atau termal konduktif. Dalam [13], Kim et al. menyelidiki CM berdasarkan polieter eter keton (PEEK) dengan pengisi hibrida SiC dan CF. Peningkatan yang signifikan dalam konduktivitas termal CM diamati, yang merupakan hasil dari pembentukan jalur termal efektif di CM.

Ada makalah terbaru yang menyajikan hasil penelitian komposit dengan pengisi nano [14, 15] dan campurannya. Dengan demikian, ditunjukkan pada [16] bahwa penambahan karbon nanotube (CNT) dalam CM dengan karbon hitam meningkatkan konduktivitas CM. Selain itu, partikel karbon hitam juga meningkatkan viskositas dan ketahanan retak nanokomposit, sehingga menegaskan efek sinergis karbon hitam sebagai pengisi multifungsi. Dalam [17, 18], Zhao et al. menyelidiki komposit dengan nanotube karbon dan grafit nanoplatelets (GNPs). Transisi perkolasi rendah diamati karena interaksi yang lebih baik antara pengisi karbon yang berbeda sebagai hasil dari proses modifikasi dari pembuatan sampel. Bukan partikel individual pengisi karbon yang ditambahkan ke polimer, dan pelat nano grafit tempat nanotube karbon tumbuh dan disejajarkan. Struktur ini dianggap sebagai satu partikel hibrida yang utuh, memiliki morfologi yang kompleks.

Kami telah menyelidiki bahan komposit polimer hibrida yang terdiri dari komponen konduktif dan dielektrik [19, 20]. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pengisi dielektrik mengelupas nanoplatelet grafit dan mengurai karbon nanotube dalam larutan resin dalam pelarut aseton selama pembuatan komposit. Hal ini menyebabkan peningkatan sifat listrik dan termal sampel.

Komposit polimer hibrida sangat topikal sekarang. Tetapi apakah semua kombinasi berbagai pengisi dan berbagai polimer menghasilkan hasil yang positif? Tentu saja tidak! Pertama, beberapa penelitian telah dilakukan di bidang ini; kedua, simulasi teoretis dari berbagai sistem hibrida dan sifat-sifatnya menunjukkan hasil yang sangat baik, tetapi tidak selalu dikonfirmasi secara eksperimental [21].

Kebaruan dari pekerjaan ini adalah untuk mencapai efek sinergis, dua pengisi konduktif dengan bentuk geometris yang unik dan rasio aspek yang berbeda serta karakteristik dispersi yang berbeda digunakan.

Metode

Materi

Gambar 1a menyajikan gambar SEM dari tabung nano karbon multiwall bekas (MWCNTs) dengan kemurnian 90% (Tabung Murah Ins.). Gambar mikroskop optik GNP yang digunakan sebagai pengisi kedua ditunjukkan pada Gambar. 1b.

Gambar SEM untuk MWCNT (a ). Gambar optik untuk GNP (b ). Distribusi partikel (diagram) pada ukuran lateral TEG setelah 30 jam ultrasonik dispersi dalam air (GNP) (c ). Histogram distribusi ketebalan GNP yang diperoleh dalam media dispersif—dalam air (d )

Grafit yang diperluas secara termal (TEG) adalah produk grafit dispersi alami (d = 50–300 μm, h = 5–30 μm) interkalasi dengan H₂ JADI₄ dan perlakuan panas selanjutnya dalam tungku dengan aliran naik sesuai dengan metode yang dikembangkan dan dilaporkan dalam makalah yang diterbitkan sebelumnya [22]. Keunikan dari proses ultrasonikasi TEG dalam media air adalah partikel TEG tidak tenggelam tetapi mengapung di permukaan. Untuk alasan ini, pengelupasan TEG menjadi GNP rumit. Setelah 30 jam ultrasonikasi TEG dalam media air, sebagian besar GNP berdiameter 0,2–5 m; namun, partikel besar dengan diameter 10–100 m juga muncul (Gbr. 1c).

Berdasarkan gambar AFM yang dikonversi 3D dari GNP yang diperoleh dalam media dispersi yang berbeda, kami melakukan analisis komparatif ketebalan GNP. Histogram distribusi ketebalan disajikan pada Gambar 1d. Berdasarkan hasil AFM, variasi distribusi ketebalan untuk GNP (diperoleh dalam media air) adalah 5-55 nm dengan distribusi maksimum pada 28 nm. Estimasi dimensi lateral memungkinkan penghitungan rasio aspek GNP yaitu ~40–900 untuk GNP. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa GNP yang diperoleh dalam media dispersi air memiliki distribusi ketebalan dan dimensi lateral yang luas. Hal ini tentu menguntungkan untuk konduktivitas listrik yang lebih tinggi dari komposit dengan pengisi semacam ini.

Karakteristik struktural dan morfologi pengisi yang diselidiki disajikan pada Tabel 1. Seperti dapat dilihat pada Tabel 1 dan Gambar 1, bentuk pengisi nanokarbon sangat berbeda. Dengan demikian, GNP dapat dianggap sebagai disk dan MWCNT sebagai silinder.

Persiapan Komposit

Makalah ini menyajikan hasil penyelidikan perubahan resistivitas listrik dan konduktivitas termal komposit polimer hibrid dengan multiwall karbon nanotube (MWCNTs) pada penambahan jumlah konstan kedua pengisi berbentuk cakram konduktif elektrik — nanoplatelet grafit.

Untuk mempelajari sifat listrik komposit polimer resin karbon-epoksi, dua sistem telah disiapkan:

Sistem dua komponen, di mana GNP atau MWCNT multi-dinding digunakan sebagai pengisi—bahan komposit mono (MCM)
Sistem tiga komponen, di mana GNP pengisi konduktif elektrik digunakan sebagai pengisi kedua untuk CM dengan MWCNT—bahan komposit hibrida (HCM)

Material Komposit Mono

Selama pekerjaan kami, kami mensintesis dan menyelidiki sistem komposit berdasarkan epoksi Larit 285 (Lange Ritter GmbH, Jerman). Resin ini memiliki karakteristik sebagai berikut:ekuivalen epoksi = 165–170, nomor epoksi—0,59 ÷ 0,65.

Untuk mempersiapkan MCM nanokarbon/epoksi, pengisi nanokarbon dimasukkan ke dalam resin epoksi Larit 285 (viskositas 600–900 mPa s) dengan H285 (viskositas—50 ÷ 100 mPa s, nomor amina—480 ÷ 550 mgКOH/g) sebagai agen pengerasan. Kandungan pengisi nanokarbon dalam MCM bervariasi dari 0,03 hingga 4 vol%.

Bubuk GNP menjadi sasaran perlakuan UV/ozon (untuk CM mono dan hibrida). Perlakuan UV/ozon dilakukan dengan menggunakan lampu DRT-1000. Bubuk GNP awal dikenai perlakuan UV/ozon selama 20 menit [22, 23].

Tiga gram epoksi Larit 285 ditempatkan dalam tabung reaksi untuk pelarutan lebih lanjut dalam pelarut aseton. Nanokarbon seperti bubuk telah ditimbang untuk konsentrasi tertentu dan ditambahkan ke larutan epoksi-aseton. Pengisi nanokarbon (GNPs atau MWCNTs) secara mekanis dicampur dengan resin epoksi dan aseton. Campuran komponen ini diaduk selama 30 menit (untuk GNP) atau 60 menit (untuk MWCNT) dalam penangas ultrasonik untuk distribusi pengisi yang lebih seragam dalam polimer, kemudian bahan pengawet H285 ditambahkan, dan campuran dituangkan ke dalam cetakan dan dikeringkan pada suhu kamar selama 48–72 jam untuk menyelesaikan polimerisasi.

Material Komposit Hibrida

MWCNT digunakan untuk preparasi HCM, sebagai pengisi elektrokonduktif utama dengan konsentrasi yang bervariasi dari 0,03 hingga 4 vol%. Untuk mempelajari sifat sinergis dari pengisi listrik terdispersi tambahan, GNP ditambahkan ke sistem yang diberikan dalam kandungan 0,24 vol%.

MWCNT dicampur dengan resin epoksi dan aseton. Campuran komponen ini diaduk selama 60 menit dalam rendaman ultrasonik untuk distribusi pengisi yang lebih seragam dalam polimer. Kemudian, bubuk GNP ditambahkan dan dicampur secara mekanis, dan semuanya diaduk selama 30 menit dalam penangas ultrasonik. Kemudian, bahan pengawet H285 ditambahkan, dan campuran dituangkan ke dalam cetakan dan dikeringkan pada suhu kamar selama 48–72 jam untuk menyelesaikan polimerisasi.

Untuk pengukuran konduktivitas listrik, sampel berbentuk persegi panjang parallelepiped dengan ukuran 3,5×3,5×10 mm³ disiapkan. Rentang pengukuran konduktivitas adalah dari 10⁻¹² hingga 10 S/m.

Metode Pengujian

Dispersi ultrasonik bubuk TEG dilakukan dalam rendaman ultrasonik “BAKU” BK-9050, frekuensi AS—40 kHz, dengan output daya listrik maksimum 30 dan 50 W. Dimensi lateral GNP yang disiapkan diselidiki dengan menggunakan mikroskop optik MIKMED-1 dengan kamera digital ETREK DCM-510 yang terpasang dan probe NanoLaboratory INTEGRA. Untuk memperkirakan ketebalan dan diameter rata-rata GNP, gambar mikroskop optik dan kekuatan atom (AFM) mereka diubah menjadi gambar 3D oleh program Nova, yang menciptakan histogram distribusi kepadatan GNP.

Perlakuan UV/ozon dilakukan dengan menggunakan DRT-1000 (lampu ultraviolet) yang dilengkapi dengan lampu busur pelepasan listrik bertekanan tinggi yang digelembungkan dengan senyawa merkuri dan argon yang dapat melepaskan radiasi ultraviolet 50 W pada panjang gelombang 240-320 nm. Jarak antara lampu UV dan sampel ditetapkan pada 11 cm.

Tahanan listrik sampel diukur dengan dua probe (R = 10⁴ –10⁹ ) dan empat probe (R 10⁴ ) metode atau dengan teraohmmeter E6-13 (R = 10⁹ –10¹³ ). Instalasi otomatis digunakan untuk penyelidikan hambatan listrik pada kisaran suhu 6–300 K. Komponen utama instalasi otomatis adalah batang untuk sampel, arah arus sakelar daya dan sumber tegangan yang stabil, analog –konverter digital ADC 16-32F (SDI), komputer pribadi, dan kabel antarmuka. Suhu diukur dengan termokopel tembaga-konstantan yang terletak di dekat sampel. Rentang pengukuran hambatan listrik (0,01–10¹⁴ ) dibagi menjadi beberapa wilayah:0,01–2,5 Ω, dengan kesalahan tidak melebihi 0,5%; 2.5–10⁷ (kesalahan adalah <1%); R = 10⁸ (<5%); R = 10⁹ (<10%); R = 10¹⁰ –10¹³ (<20%). Saat mengukur hambatan listrik CM, tiga sampel untuk setiap konsentrasi diuji.

Hasil dan Diskusi

Konduktivitas Listrik Komposit Polimer dengan Pengisi Mono dan Hibrida

Ambang perkolasi ϕ _cr diselidiki menggunakan pengukuran konduktivitas volume. Ketergantungan konduktivitas volume listrik komposit yang disiapkan pada konten pengisi ditunjukkan pada Gambar. 2. Nilai untuk konsentrasi terendah sesuai dengan konduktivitas resin epoksi murni sebesar 7,9 × 10⁻¹² °S/m.

Konduktivitas listrik komposit sebagai fungsi kandungan nanokarbon. Garis padat kurva eksperimental; garis putus-putus kurva yang dihitung menurut Persamaan. (1)

Seperti yang dapat dilihat dari Gambar. 2, ketergantungan konsentrasi konduktivitas untuk MCM dan HCM memiliki dua transisi perkolasi. Terendah (pada 0,13 vol%.) ditemukan untuk sampel dengan MWCNT. Mulai dari 0,137 vol% MWCNT, nilai konduktivitas lebih tinggi dari 10⁻⁶ S/m mewakili rentang konduktif. Untuk sampel berdasarkan GNP, konsentrasi kritis tertinggi ϕ _cr sama dengan 1,7 vol% diamati, dan hanya ada satu transisi perkolasi di atas nilai konduktivitas 10⁻⁶ S/m. Untuk sampel dengan pengisi campuran dengan konsentrasi GNP konstan (ϕ = 0,24 vol%.), konsentrasi kritis MWCNT/GNP ternyata sama ϕ _cr = 0,42 vol% dan terletak di antara nilai komposit dengan pengisi murni.

Perilaku serupa σ (ϕ ), yaitu, adanya dua transisi perkolasi pada kurva konsentrasi diamati untuk sejumlah komposit [24,25,26,27].

Josef Z. Kovacs dan lain-lain [24] menganggap bahwa ambang perkolasi tersebut disebabkan oleh proses kinetik dan karena itu tidak dapat ditentukan dengan menggunakan hukum skala perkolasi umum dari teori perkolasi statistik.

Juga, transisi perkolasi ganda telah diperoleh oleh Mamunya dan yang lainnya di [25]. Penulis juga menggunakan komposit polimer-karbon nanotube, tetapi mereka menggabungkan dua polimer (kopoliamida dan polipropilena) sebagai matriks polimer, yang dicampur dengan pengisi pada suhu tinggi (125, 167 °C) dan ditekan pada 180 °C.

Kami menganggap bahwa keberadaan dua ambang perkolasi dalam pekerjaan kami adalah ciri khas material komposit yang memiliki viskositas rendah pada tahap pembuatan sampel (Gbr. 2 dan Tabel 2).

Kami percaya bahwa transisi perkolasi pertama dapat dianggap sebagai transisi perkolasi kuasi-dinamis dengan analogi dengan transisi perkolasi dinamis yang diamati pada komposit polimer-karbon, di mana transisi perkolasi terbentuk di bawah aksi gaya eksternal (medan listrik atau magnet, tekanan , dll.) [24, 27].

Pada daerah konsentrasi rendah, setelah penambahan hardener, polimer cair dengan nanokarbon memiliki viskositas yang rendah. Partikel pengisi karbon dalam matriks polimer dapat direpresentasikan sebagai aglomerat nanopartikel yang cukup besar (meskipun dispersi ultrasonik berdurasi panjang) dan nanopartikel terpisah (nanotube atau GNP) dengan mobilitas yang cukup tinggi dalam matriks polimer dengan viskositas rendah. Di bawah aksi van der Waals atau gaya elektrostatik, nanopartikel (nanotube) yang terpisah ini dapat bergerak menghubungkan satu sama lain serta dengan aglomerat besar nanopartikel. Jadi, karena perpindahan ini, hingga matriks polimer mengeras, nanopartikel yang bergerak secara terpisah ini dapat membentuk rantai konduktif yang memberikan konduktivitas seluruh sampel.

Pembentukan "rak" atau dataran tinggi setelah ambang perkolasi kuasi-dinamis dalam ketergantungan konsentrasi konduktivitas listrik untuk CM dengan MWCNT dan pengisi hibrida (di mana konsentrasi CNT mendominasi) tergantung pada beberapa faktor. Hal ini terutama terkait dengan peningkatan konsentrasi pengisi, yang mengarah pada peningkatan viskositas sampel yang tidak diawetkan dan pergerakan partikel yang terpisah menjadi terbatas untuk membentuk rantai konduktif baru. Kedua, jumlah partikel bergerak yang terpisah juga meningkat. Selain itu, peningkatan viskositas secara simultan dan jumlah nanopartikel individu yang mampu bergerak secara efisien memperlambat proses pembentukan rantai konduktif, dan, akibatnya, pertumbuhan konduktivitas dengan meningkatnya konsentrasi pengisi. Terlihat dari Gambar 2 bahwa untuk mencapai konsentrasi kritis kedua, diperlukan penambahan sejumlah besar bahan pengisi ke CM. Kemudian, partikel tunggal memulai interaksi satu sama lain serta aglomerat partikel dan aglomerat partikel dengan CNT tunggal.

Transisi perkolasi kuasi-dinamis tidak dapat dijelaskan dalam kerangka teori perkolasi klasik (Gbr. 3a). Transisi perkolasi kedua didefinisikan dan dijelaskan oleh teori statistik perkolasi (Gbr. 3b–d) [28, 29]:

a –d Penskalaan ketergantungan (lgσ sebagai fungsi lg(ϕ − ϕ _cr )) untuk menentukan parameter Persamaan. (1). a Transisi perkolasi kuasi-dinamis, b , c , d Teori statistik perkolasi

$$ \sigma \left(\phi \right)\sim B{\left(\phi -{\phi}_{\mathrm{cr}}\right)}^t $$ (1)

dimana ϕ _cr adalah konsentrasi kritis (ambang perkolasi), t adalah indeks kritis, dan B adalah konstanta proporsionalitas dalam model perkolasi klasik. Konstanta B , ϕ _cr , dan t dipasang menggunakan metode minimalisasi kesalahan kuadrat rata-rata (Gbr. 3, Tabel 2). Nilai pas dari ϕ _cr disertakan dalam Gambar. 2.

Pada Gambar. 4, kami menyajikan konduktivitas listrik versus konsentrasi untuk MCM–L285/MWCNT dan HCM–L285/MWCNT/GNP. Seperti yang dapat dilihat pada gambar, transisi perkolasi adalah sama untuk kedua komposit. Efek sinergis diamati sebagai peningkatan konduktivitas listrik HCM di atas konsentrasi kritis (Gbr. 4). Efek sinergis terbesar diamati pada CM dengan kombinasi dua pengisi konduktif elektrik—karbon nanotube dan nanoplatelet grafit—dan pada konsentrasi 2 vol%, konduktivitas listriknya 20 kali lebih tinggi dan pada 4 vol%, 10 kali lebih tinggi dibandingkan dengan MCM .

Konduktivitas listrik komposit sebagai fungsi konten MWCNT

Untuk memahami mekanisme pembentukan rantai konduktif di CM hibrida di mana efek sinergis diamati, kami menggambarkan skema yang mungkin pada Gambar. 5. Untuk menguraikan bundel CNT, mereka dikenai dispersi ultrasonik. Akibatnya, tidak semua CNT terurai, selain itu mereka putus mengurangi rasio aspeknya; dengan demikian, jumlah CNT yang dibutuhkan untuk pembentukan rantai konduktif meningkat.

Prinsip pembentukan jalur konduktif dalam hibrida CM–L285/MWCNT/GNP

Untuk mencapai efek sinergis, kami menyusun untuk menambahkan sejumlah kecil partikel GNP ke dalam komposit dengan CNT untuk koneksi aglomerat CNT yang tidak terurai sepenuhnya. Karena media cair (yaitu, resin viskositas rendah) dan perkolasi kuasi-dinamis, kami gagal mencapai ambang perkolasi yang lebih rendah dari pada mono CM dengan CNT. Kita dapat menjelaskannya hanya dengan fakta bahwa dalam kasus transisi perkolasi sangat rendah (0,13 vol%), rantai konduktif kontinu terbentuk tidak dalam jumlah besar (dilihat dari Gambar 4, karena nilai konduktivitasnya rendah pada transisi perkolasi pertama) terutama dari partikel CNT yang terpisah, yang tidak dibundel dan masih tidak memiliki kontak dengan partikel GNP. Setelah ambang perkolasi, peningkatan konduktivitas yang signifikan dari CM hibrida diamati karena rantai tambahan aglomerat CNT dan GNP (Gbr. 5).

Fitur morfologis komponen konduktif nanokarbon dari pengisi sangat penting selama pembentukan rantai konduktif. Jumlah total rantai (oleh karena itu, resistensi kontak antara partikel dan karakteristik perkolasi) di CM terutama dipengaruhi oleh bentuk pengisi (bentuk kerangka CNT dan bentuk seperti rantai GNP). Untuk menyelidiki jumlah rantai dan hambatan kontak antara partikel dalam CM, kami menggunakan model hambatan listrik efektif.

Dalam hal model yang diusulkan, hambatan listrik rantai terdiri dari partikel nanokarbon sebagai berikut [30]:

di mana $ {N}_{\mathrm{GNP}\left(\mathrm{MWCNT}\right)\_\mathrm{in}\_\mathrm{chain}}=\frac{b\left(1\kern0 .5em \mathrm{cm}\right)\cdot \gamma}{l}=\frac{\gamma}{l} $ adalah jumlah partikel nanokarbon dalam satu rantai, b adalah panjang sampel (1 cm), γ adalah faktor konstan dengan nilai dari 1 sampai 2, l adalah panjang partikel nanokarbon (GNP atau CNT), r _GNP(MWCNT) adalah hambatan listrik partikel pengisi (untuk partikel mirip piringan—$ {r}_{GNP(disk)}={\rho}_{GNP}\cdot \frac{d}{d\cdot h} =\frac{\rho_{GNP}}{\mathrm{h}} $, untuk silinder—$ {r}_{\mathrm{MWCNT}\left(\mathrm{silinder}\kanan)}={\rho}_{\mathrm{MWCNT}}\cdot \frac{4 l}{\pi {d}^2} $), h adalah ketebalan partikel nanokarbon, d adalah diameter, dan R _к adalah hambatan listrik dari kontak tunggal antara partikel pengisi (CNT atau GNP).

Ringkasnya, hambatan listrik CM polimer/nanokarbon dapat dievaluasi sebagai [30]:

$$ {R}_{\mathrm{CM}\_\mathrm{G}\mathrm{N}\mathrm{P}\left(\mathrm{MWCNT}\right)}=\frac{N_{\mathrm{ GNP}\left(\mathrm{MWCNT}\right)\_\mathrm{in}\_\mathrm{chain}}}{N_{\mathrm{chain}\_\mathrm{in}\_\mathrm{C }\mathrm{M}}^{*}}\cdot \left({r}_{\mathrm{GNP}\left(\mathrm{MWCNT}\right)}+{R}_K\right)=\frac {\gamma^2\pi \cdot z}{4 F}{\left(\frac{F-{\phi}_{\mathrm{cr}}}{\phi -{\phi}_{\mathrm{ cr}}}\right)}^t\cdot \left({r}_{\mathrm{GNP}\left(\mathrm{MWCNT}\right)}+{R}_K\right) $$ (3)

dimana N ^* _{chain_in_CM} adalah jumlah rantai nanokarbon yang terhubung paralel. Jumlah ini sebanding dengan jumlah total partikel yang berpartisipasi dalam elektrokonduktor. B adalah faktor pengepakan (F = 0,05 untuk GNP dan F = 0,06 untuk CNT), z = h adalah untuk GNP, dan $ z=\frac{d^2}{l} $ adalah untuk CNT. Model ini memperhitungkan tidak hanya konsentrasi kritis ϕ _cr , faktor pengepakan F , dan resistivitas listrik pengisi r _GNP(MWCNT) tetapi juga morfologi partikel (rasio aspek).

Dalam hal model yang diusulkan, nilai yang diikuti dihitung:ketergantungan konsentrasi konduktivitas listrik σ _dc (ϕ ), kontak hambatan listrik R _к , dan jumlah rantai yang tidak terputus N ^* _{chain_in_CM} (lihat Gbr. 6, Tabel 3).

Resistensi kontak R _k dari CM dipelajari, yang dihitung dengan menggunakan Persamaan. (3)

Seperti yang dapat kita lihat dari Tabel 3, nilai hambatan listrik kontak R _к pameran minimal 10⁺⁶ –10⁺⁷ untuk pengisi hibrida dan maksimum mendekati 10⁺⁹ –10⁺¹⁰ untuk CM berdasarkan CNT. CM berbasis CNT memiliki 300 (600) kali lebih besar jumlah total rantai tidak terputus N ^* _{chain_in_CM} dibandingkan CM berbasis GNP (hybrid filler) dengan konsentrasi 2,70 vol%. Konduktivitas listrik L285/MWCNT/GNP lebih tinggi daripada konduktivitas listrik CM biner (Gbr. 2).

Di sisi lain, pembentukan jaringan penghantar partikel nanokarbon tidak perlu menyebabkan konduktivitas listrik yang tinggi. Menurut [31], simulasi numerik menunjukkan bahwa resistansi kontak antara nanotube yang berbeda bervariasi dari 100 kOhm hingga 3,4 MOhm dan sangat bergantung pada struktur atom permukaan kontak dan relaksasi struktural partikel. Resistansi kontak dapat muncul selama pembentukan lapisan dielektrik antara titik kontak komponen pengisi (karena pembasahan). Lapisan dielektrik ini menyebabkan penurunan konduktivitas dan merangsang tunneling pembawa muatan [32].

Hambatan listrik R _к antara dua partikel yang bersentuhan dapat dievaluasi sebagai berikut [33]:

$$ {R}_{k\left(\mathrm{tunel}\right)}=\frac{V}{w\cdot j}=\frac{h^2\delta}{w{ e}^2\ persegi{2 m\lambda}} \exp \left(\frac{4\pi \delta}{h}\sqrt{2 m\lambda}\kanan) $$ (4)

dimana δ adalah ketebalan lapisan polimer; j adalah kepadatan arus terowongan; V adalah beda potensial; e dan m adalah muatan dan massa elektron, masing-masing; h adalah konstanta Planck; λ adalah ketinggian penghalang [34,35,36] (dalam kasus epoksi λ 1 eV [33]); dan dengan adalah nilai tunneling penampang.

Gambar 7 menunjukkan bahwa nilai resistansi kontak listrik dalam kasus mekanisme tunneling konduktivitas bergantung pada jarak (ketebalan lapisan polimer) antara partikel pengisi untuk berbagai nilai tunneling penampang (dihitung menggunakan ekspresi 4) .

Ketergantungan resistansi kontak pada ketebalan lapisan polimer antara partikel pengisi untuk berbagai nilai tunneling penampang w

Gambar 7 menunjukkan ketergantungan yang kuat dari R _{k (tunel)} di δ . Jadi, dengan meningkatnya δ nilai dari 0,5 hingga 2,5 nm, R _{k (tunel)} nilai tumbuh sembilan kali lipat terlepas dari penampang terowongan w .

Simulasi numerik menunjukkan bahwa jarak antara partikel GNP perlahan menurun dari 1,63 menjadi 1,53 nm untuk w = 40 × 40 nm² , yang menyaksikan tentang tidak adanya tunneling dan penghancuran rantai konduktif untuk δ 1,63 nm.

Dalam kasus CM berbasis CNT, penurunan δ dari 1,83 hingga 1,57 nm dengan w = 10 × 10 nm² disebabkan oleh ukuran CNT yang lebih kecil dibandingkan dengan ukuran GNP. Kami berasumsi bahwa δ CM berbasis GNP lebih kecil karena perlakuan ultraviolet (pembersihan permukaan dari gugus fungsi partikel) dan kontak yang lebih baik antara partikel polimer dan pengisi [22, 23].

CM dengan pengisi hibrida menunjukkan penurunan δ dari 1,07 hingga 0,82 nm (dari 1,32 hingga 1,05 nm) untuk w = 10 × 10 nm² (dengan = 40 × 40 nm² ).

Seperti yang dapat kita lihat dari Gambar. 7 dan Tabel 3, ketebalan lapisan polimer δ for CMs with a hybrid filler is the smallest regardless of the magnitude of the tunneling cross section, despite higher amount of a conductive chains in CNT-based CMs.

Conclusions

It has been found that two percolation thresholds are formed in polymer solution with nanocarbon with low viscosity. The first is a quasi-dynamic percolation transition which nature is associated with the movement of light separate nanocarbon particles until the mixture is cured. The second percolation transition is static, described by the classical theory of percolation and allowed us to calculate the number of conductive chains and the contact resistance between the filler particles in terms of the model of effective electrical resistivity. It has been found that there is a synergistic effect above the percolation threshold for CMs with a hybrid filler (namely, with the carbon nanotubes and graphite nanoplatelets). It has been shown that a synergistic effect for the CMs with a hybrid filler is possible due to reducing contact resistance between the particles of both fillers, which may be associated with a decrease of the polymer layer thickness between the particles and appearance of moderate amount of the conductive chains with increase of the number of particles involved in a single chain.

Model Retensi TaO/HfO x dan TaO/AlO x RRAM dengan Karakteristik Sakelar Penyearah Sendiri Promosi Aseton Sensing Single SnO2 Nanobelt oleh Eu Doping

bahan nano