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グラファイトナノプレートレットを備えた多層カーボンナノチューブに基づくハイブリッド複合材料の電気的性質

要約

本研究では、グラファイトナノプレートレットまたは多層カーボンナノチューブを備えたモノポリマー複合材料と、多層カーボンナノチューブとグラファイトナノプレートレットの両方を備えたハイブリッド複合材料の電気伝導率の濃度依存性を調査しました。後者のフィラーは、0.24 vol%の含有量で所定のシステムに追加されました。多層カーボンナノチューブの含有量は、0.03〜4 vol%の範囲で変化します。エポキシ樹脂に組み込む前に、グラファイトナノプレートレットを20分間紫外線オゾン処理にかけました。低粘度懸濁液(ポリマー、アセトン、硬化剤)にナノカーボンを添加すると、2つのパーコレーション遷移が形成されることがわかりました。カーボンナノチューブをベースにした複合材料のパーコレーション遷移は最低です(0.13 vol%)。

低粘度ポリマー中の2つの導電性フィラーの組み合わせは、パーコレーションしきい値を超える相乗効果をもたらすことが確認されました。これは、導電率が最大20倍に増加することで明らかになります。有効電気抵抗率のモデルの枠組みの中で、複合材料の導電鎖の数と接触電気抵抗を計算することで、相乗効果の性質を説明することができました。ハイブリッド複合材料の電気接触抵抗の減少は、フィラー粒子間のポリマー層の薄化と、導電性回路に関与する粒子の数の増加に関連している可能性があります。

背景

複数のフィラーを同時に使用する(主に混合物)ことは、電気伝導率と熱伝導率、弾性特性(強度、ヤング率、ガラス転移温度、機械的特性など)など、製造される複合材料(CM)の特性を大幅に向上させることができるため、近年の傾向です。単一のフィラーを使用したCMと比較した場合の損失。ポリマーマトリックスへの多成分フィラーの添加は、これらのフィラー間の相互作用を促進します。このように、相乗効果の結果としての導電率の改善は、グラファイト粒子と炭素繊維(CF)を含むポリエチレンをベースにしたCM [1]と、カーボンブラックとCFを含むCM [2、3]で観察されました。導電率向上のメカニズムは二重パーコレーションで構成され、導電性パスの接続性の向上におけるCFの機能を表しています。カーボンブラック粒子とカーボンファイバーが互いに補強することによって形成される2つの導電性ネットの共存は、繊維状フィラーがカーボンブラックの球状粒子と相互作用して導電性ネットワークの形成を刺激するため、CMの電気的特性の大幅な改善につながります。ポリマーマトリックス。

非導電性状態から導電性状態への1つの鋭い遷移を伴う古典的なパーコレーションは、一般に、高導電性粒子で満たされた複合材料に期待されます。これまで、導電率の振る舞いを説明するために、さまざまなモデルや方程式が提案されてきました[4、5]。

ただし、多くの実験的観察では、複合材料のパーコレーションはより複雑です。 2段階(二重パーコレーション)、数段階(複数のパーコレーション)、さらにはファジー(スミア)タイプのパーコレーション遷移の存在が報告されています[6、7、8、9、10、11、12]。パーコレーションしきい値の特性は、粒子の分布、そのタイプ、および電気接点のタイプ、幾何学的効果、および多成分媒体(ポリマーブレンドなど)における導電性粒子の選択的分布によって決定されます。静的および動的ネットワーク形成プロセスの存在、および粒子のコアシェル構造が、複数のパーコレーションしきい値の原因である可能性があります。

相乗効果は、フィラーの1つが電気的または熱的に高度に伝導性でない場合でも、CMの電気的または熱的特性の改善に現れる可能性があります。 [13]で、キム等。ハイブリッドSiCおよびCFフィラーを含むポリエーテルエーテルケトン(PEEK)に基づくCMを調査しました。 CMの熱伝導率に大幅な改善が見られました。これは、CMに効果的な熱経路が形成された結果です。

ナノスケールフィラーを含む複合材料[14、15]およびその混合物の研究結果を示す最近の論文があります。したがって、[16]で、カーボンブラックを含むCMにカーボンナノチューブ(CNT)を添加すると、CMの導電率が増加することが示されました。さらに、カーボンブラック粒子はナノコンポジットの粘度と耐亀裂性も向上させるため、多機能フィラーとしてのカーボンブラックの相乗効果が確認されます。 [17、18]で、Zhao etal。カーボンナノチューブとグラファイトナノプレートレット(GNP)を含む複合材料を調査しました。サンプル製造の変更されたプロセスの結果として、異なるカーボンフィラー間の相互作用が改善されたため、低いパーコレーション遷移が観察されました。カーボンフィラーの個々の粒子がポリマーに追加されるのではなく、カーボンナノチューブが成長して整列するグラファイトナノプレート。これらの構造は、1つのハイブリッド粒子全体と見なされ、複雑な形態を持っています。

導電性成分と誘電性成分からなるハイブリッドポリマー複合材料を調査しました[19、20]。結果は、誘電体フィラーが、複合材料の製造中に、グラファイトナノプレートレットを剥離し、アセトン溶媒中の樹脂の溶液中でカーボンナノチューブを解きほぐすことを示しました。これにより、サンプルの電気的および熱的特性が向上しました。

ハイブリッドポリマー複合材料は現在非常に話題になっています。しかし、さまざまなフィラーとさまざまなポリマーのすべての組み合わせが良い結果につながるのでしょうか?もちろん違います!第一に、この分野で行われた研究はほとんどありません。第二に、さまざまなハイブリッドシステムとその特性の理論的シミュレーションは優れた結果を示していますが、必ずしも実験的に確認されているわけではありません[21]。

この作品の目新しさは、相乗効果を達成するために、独特の幾何学的形状と異なるアスペクト比、および異なる分散特性を備えた2つの導電性フィラーが使用されていることです。

メソッド

資料

図1aは、純度が90%以上の使用済み多層カーボンナノチューブ(MWCNT)のSEM画像を示しています(Cheap TubesIns。)。 2番目のフィラーとして使用されたGNPの光学顕微鏡画像を図1bに示します。

MWCNTのSEM画像( a )。 GNPの光学画像( b )。水中での30時間の超音波分散(GNP)後のTEGの横方向のサイズでの粒子(図)の分布( c )。分散媒体で得られたGNPの厚さ分布のヒストグラム-水中( d

熱膨張黒鉛(TEG)は、天然分散黒鉛( d )の製品です。 =50–300μm、 h =5–30μm)H 2 とのインターカレーション SO 4 その後、開発された方法に従って上昇流を伴う炉での熱処理が行われ、以前に発表された論文[22]で報告されました。水媒体におけるTEG超音波処理プロセスの特徴は、TEG粒子が沈むのではなく、表面に浮くということです。このため、GNPへのTEGの剥離は複雑です。水媒体でのTEG超音波処理の30時間後、GNPの大部分は直径0.2〜5μmです。ただし、直径10〜100μmの大きな粒子も発生します(図1c)。

さまざまな分散媒体で得られたGNPの3D変換されたAFM画像に基づいて、GNPの厚さの比較分析を実行しました。厚さ分布のヒストグラムを図1dに示します。 AFMの結果に基づくと、GNP(水媒体で得られた)の厚さ分布の変動は5〜55 nmであり、分布の最大値は28nmでした。横方向の寸法を推定することで、GNPのアスペクト比を計算できました。GNPのアスペクト比は約40〜900です。したがって、水分散媒体で得られたGNPは、厚さおよび横方向の寸法の広い分布を持っているという結論を下すことができます。これは、この種のフィラーを使用した複合材料の電気伝導率を高めるのに確かに有利です。

調査したフィラーの構造的および形態学的特性を表1に示します。表1および図1に示すように、ナノカーボンフィラーの形状は大きく異なります。したがって、GNPはディスクと見なすことができ、MWCNTはシリンダーと見なすことができます。

<図>

コンポジットの準備

この論文では、一定量の第2の導電性ディスク型フィラーであるグラファイトナノプレートレットを添加した場合の、多層カーボンナノチューブ(MWCNT)とのハイブリッドポリマー複合材料の電気抵抗率と熱伝導率の変化を調査した結果を示します。

カーボンエポキシ樹脂ポリマー複合材料の電気的特性を研究するために、2つのシステムが用意されています。

  • ➢GNPまたは多層MWCNTがフィラーとして使用された2成分システム— 単一複合材料 (MCM)

  • ➢MWCNTを使用したCMの2番目のフィラーとして導電性フィラーGNPが使用された3コンポーネントシステム— ハイブリッド複合材料 (HCM)

モノ複合材料

作業中、エポキシLarit 285(Lange Ritter GmbH、ドイツ)をベースにした複合システムを合成して調査しました。この樹脂の特性は次のとおりです。エポキシ当量=165–170、エポキシ数—0.59÷0.65。

ナノカーボン/エポキシMCMを調製するために、ナノカーボンフィラーをエポキシ樹脂Larit 285(粘度600〜900 mPa s)にH285(粘度-50÷100 mPa s、アミン数-480÷550mgКOH/ g)として組み込みました。硬化剤。 MCMのナノカーボンフィラーの含有量は0.03から4vol%まで変化しました。

GNP粉末は、UV /オゾン処理(モノおよびハイブリッドCMの場合)にかけられました。ランプDRT-1000を使用してUV /オゾン処理を行いました。最初のGNP粉末は、20分間UV /オゾン処理されました[22、23]。

3グラムのエポキシLarit285を試験管に入れ、アセトン溶媒にさらに溶解させました。粉末状のナノカーボンは、選択された濃度で秤量され、エポキシ-アセトン溶液に添加されました。ナノカーボンフィラー(GNPまたはMWCNT)は、エポキシ樹脂およびアセトンと機械的に混合されました。これらの成分の混合物を超音波浴で30分(GNPの場合)または60分(MWCNTの場合)攪拌して、ポリマー内のフィラーをより均一に分散させた後、硬化剤H285を添加し、混合物を成形し、室温で48〜72時間硬化させて、重合を完了します。

ハイブリッド複合材料

MWCNTは、0.03〜4 vol%のさまざまな濃度の主要な導電性フィラーとして、HCMの調製に使用されました。追加の分散型電気フィラーの相乗特性を研究するために、GNPを0.24 vol%の含有量で所定のシステムに追加しました。

MWCNTはエポキシ樹脂およびアセトンと混合されました。これらの成分の混合物を超音波浴で60分間撹拌して、ポリマー内のフィラーをより均一に分散させました。次に、GNP粉末を加えて機械的に完全に混合し、すべてを超音波浴で30分間撹拌しました。次に、硬化剤H285を添加し、混合物を型に流し込み、室温で48〜72時間硬化させて、重合を完了しました。

電気伝導率の測定では、3.5×3.5×10 mm 3 のサイズの直方体の形状のサンプル 準備されました。測定導電率範囲は10 -12 でした 〜10 S / m。

テストの方法

TEG粉末の超音波分散は、超音波浴「BAKU」BK-9050、米国周波数-40 kHz、最大電力出力30および50 Wで実行されました。準備されたGNPの横方向の寸法は、光学顕微鏡を使用して調査されました。付属のデジタルカメラETREKDCM-510とプローブNanoLaboratoryINTEGRAを備えたMIKMED-1。 GNPの平均の厚さと直径を推定するために、それらの光学および原子間力顕微鏡(AFM)画像は、GNP密度分布のヒストグラムを作成したプログラムNovaによって3D画像に変換されました。

UV /オゾン処理は、240〜320nmの波長で50Wの紫外線を放出できる水銀とアルゴン化合物で膨張させた高圧の放電アークランプを備えたDRT-1000(紫外線ランプ)を使用して実行されました。 UVランプとサンプルの間の距離は11cmに固定されました。

サンプルの電気抵抗は、2つのプローブ( R )によって測定されました。 =10 4 –10 9 Ω)および4プローブ( R ≤10 4 Ω)方式またはテラオームメーターE6-13( R =10 9 –10 13 Ω)。 6〜300 Kの温度範囲での電気抵抗の調査には、自動設備が使用されました。自動設備の主なコンポーネントは、サンプル用のロッド、電源切り替え電流の方向、および安定した電圧源、アナログでした。 –デジタルコンバーターADC 16-32F(SDI)、パーソナルコンピューター、およびインターフェイスケーブル。温度は、サンプルの近くにある銅-コンスタンタン熱電対によって測定されました。電気抵抗の測定範囲(0.01–10 14 Ω)はいくつかの領域に分割されました:0.01〜2.5Ω、誤差は0.5%を超えません。 2.5–10 7 Ω(エラーは<1%でした); R =10 8 Ω(<5%); R =10 9 Ω(<10%); R =10 10 –10 13 Ω(<20%)。 CMの電気抵抗を測定する際、濃度ごとに3つのサンプルをテストしました。

結果と考察

モノおよびハイブリッドフィラーを含むポリマー複合材料の電気伝導率

パーコレーションしきい値 ϕ cr 体積導電率測定を使用して調査しました。調製した複合材料の電気体積伝導率のフィラー含有量への依存性を図2に示します。最低濃度の値は、7.9×10 -12 の純粋なエポキシ樹脂の伝導率に対応します。 °S / m。

ナノカーボン含有量の関数としての複合材料の電気伝導率。 実線 実験曲線; 点線 式に従って計算された曲線。 (1)

図2からわかるように、MCMとHCMの両方の導電率の濃度依存性には、2つのパーコレーション遷移があります。最も低い(0.13 vol%)は、MWCNTを含むサンプルで見つかりました。 MWCNTの0.137vol%から、導電率の値は10 -6 より高くなっています。 導電範囲を表すS / m。 GNPに基づくサンプルの場合、最高臨界濃度 ϕ cr 1.7 vol%に等しいことが観察され、導電率の値である10 -6 を超えるパーコレーション遷移は1つだけです。 S / m。 GNPの濃度が一定の混合フィラーを含むサンプルの場合( ϕ =0.24vol%。)、MWCNT / GNPの臨界濃度は ϕ に等しいことがわかりました。 cr =0.42vol%であり、純粋なフィラーを含む複合材料の値の間にあります。

σの同様の動作 ( ϕ )、つまり、濃度曲線上に2つのパーコレーション遷移が存在することが、多くの複合材料で観察されました[24、25、26、27]。

Josef Z. Kovacsら[24]は、動的プロセスによって誘発されるこのようなパーコレーションしきい値は、統計的パーコレーション理論からの一般的なパーコレーションスケーリング法則を使用して決定できないと考えています。

また、[25]でMamunyaらによって二重パーコレーション遷移が得られました。著者らは、ポリマーとカーボンナノチューブの複合材料も使用しましたが、2つのポリマー(コポリアミドとポリプロピレン)をポリマーマトリックスとして組み合わせ、高温(125、167°C)でフィラーと混合し、180°Cでプレスしました。

私たちの研究では、2つのパーコレーションしきい値が存在することが、サンプル製造の段階で粘度が低い複合材料の特徴であると考えられます(図2および表2)。

<図>

最初のパーコレーション遷移は、ポリマー-炭素複合材料で観察される動的パーコレーション遷移と同様に、準動的パーコレーション遷移と見なすことができます。パーコレーション遷移は、外力(電場または磁場、圧力)の作用下で形成されます。 、など)[24、27]。

低濃度領域では、硬化剤を添加した後、ナノカーボンを含む液体ポリマーの粘度が低くなります。ポリマーマトリックス中のカーボンフィラーの粒子は、ナノ粒子の十分に大きな凝集体(長時間の超音波分散にもかかわらず)および低粘度のポリマーマトリックス中で十分に高い移動度を持つ別個のナノ粒子(ナノチューブまたはGNP)として表すことができます。ファンデルワールス力または静電力の作用下で、これらの別々のナノ粒子(ナノチューブ)は、ナノ粒子の大きな凝集体と同様に、互いに接続して移動することができます。したがって、この変位により、ポリマーマトリックスが硬化するまで、これらの別々に移動するナノ粒子は、サンプル全体の導電性を提供する導電性鎖を形成できます。

MWCNTとハイブリッドフィラー(CNT濃度が支配的)を備えたCMの電気伝導率の濃度依存性における準動的パーコレーションしきい値後の「シェルフ」またはプラトーの形成は、いくつかの要因に依存します。これは主にフィラー濃度の増加に関連しており、未硬化のサンプルの粘度が向上し、新しい導電性チェーンを形成するための個別の粒子の動きが制限されます。第二に、別々の可動粒子の数も増加します。さらに、粘度と個々のナノ粒子を効率的に動かすことができる数の同時増加は、導電性鎖の形成プロセスを減速させ、その結果、フィラー濃度の増加に伴う導電率の成長を減速させます。図2から、2番目の臨界濃度を達成するには、CMにかなりの量のフィラーを追加する必要があることがわかります。次に、単一の粒子が相互作用を開始し、単一のCNTを使用して粒子の凝集体および粒子の凝集体を開始します。

準動的パーコレーション遷移は、古典的なパーコレーション理論の枠組みでは説明できません(図3a)。 2番目のパーコレーション遷移は、パーコレーションの統計理論によって定義および記述されます(図3b–d)[28、29]:

a d スケーリング依存性(lg σ lg (ϕ − ϕ の関数として cr ))式のパラメータを決定するため。 (1)。 a 準動的パーコレーション遷移、 b c d パーコレーションの統計理論

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

ここで、 ϕ cr は臨界濃度(パーコレーションしきい値)、 t はクリティカルインデックスであり、 B は、古典的なパーコレーションモデルの比例定数です。定数 B ϕ cr 、および t 平均二乗誤差最小化の方法を使用して適合されました(図3、表2)。 ϕ の近似値 cr 図2に含まれています。

図4に、MCM–L285 / MWCNTおよびHCM–L285 / MWCNT / GNPの電気抵抗率と濃度の関係を示します。写真でわかるように、パーコレーション遷移は両方の複合材料で同じです。相乗効果は、臨界濃度を超えるHCMの電気伝導率の向上として観察されます(図4)。最大の相乗効果は、2つの導電性フィラー(カーボンナノチューブとグラファイトナノプレートレット)の組み合わせによるCMで観察され、濃度2 vol%では、導電率はMCMと比較して20倍高く、4 vol%では10倍高くなっています。 。

MWCNT含有量の関数としての複合材料の電気伝導率

相乗効果が見られるハイブリッドCMでの導電性鎖の形成メカニズムを理解するために、図5に可能なスキームを示します。CNTの束を解くために、超音波分散を行います。その結果、すべてのCNTが解けるわけではありませんが、アスペクト比が低下して崩壊します。したがって、導電性鎖の形成に必要なCNTの数が増加します。

ハイブリッドCM–L285 / MWCNT / GNPにおける導電性経路形成の原理

相乗効果を実現するために、CNTの完全に解けていない凝集体を接続するために、CNTとの複合材料に少量のGNP粒子を追加することを考えました。液体媒体(すなわち、低粘度樹脂)と準動的パーコレーションのために、CNTを使用したモノCMよりも低いパーコレーションしきい値に到達できませんでした。超低パーコレーション遷移(0.13 vol%)の場合、連続した導電性鎖が多数形成されていないという事実によってのみ説明できます(導電率の値が低いため、図4からわかります。最初のパーコレーション遷移)主に、バンドルされておらず、GNP粒子と接触していない個別のCNT粒子から。パーコレーションのしきい値の後、CNTとGNPの凝集体の鎖が追加されるため、ハイブリッドCMの導電率の大幅な増加が観察されます(図5)。

フィラーのナノカーボン導電性成分の形態的特徴は、導電性鎖の形成中に非常に重要です。 CM内の鎖の総量(したがって、粒子間の接触抵抗とパーコレーション特性)は、主にフィラーの形状(CNTの骨格型とGNPの鎖状型)の影響を受けます。鎖の数とCM内の粒子間の接触抵抗を調査するために、実効電気抵抗のモデルを利用しました。

提案されたモデルに関して、チェーンの電気抵抗は次のようなナノカーボン粒子で構成されていました[30]:

$$ {R} _ {\ mathrm {CM} \ _ \ mathrm {G} \ mathrm {N} \ mathrm {P} \ left(\ mathrm {MWCNT} \ right)} =\ frac {N _ {\ mathrm { GNP} \ left(\ mathrm {MWCNT} \ right)\ _ \ mathrm {in} \ _ \ mathrm {chain}}} {N _ {\ mathrm {chain} \ _ \ mathrm {in} \ _ \ mathrm {C } \ mathrm {M}} ^ {*}} \ cdot \ left({r} _ {\ mathrm {GNP} \ left(\ mathrm {MWCNT} \ right)} + {R} _K \ right)$$( 2)

ここで、\({N} _ {\ mathrm {GNP} \ left(\ mathrm {MWCNT} \ right)\ _ \ mathrm {in} \ _ \ mathrm {chain}} =\ frac {b \ left(1 \ kern0 .5em \ mathrm {cm} \ right)\ cdot \ gamma} {l} =\ frac {\ gamma} {l} \)は、1つのチェーン内のナノカーボン粒子の量です。 b はサンプルの長さ(1 cm)、γ は1から2までの値を持つ定数係数です。 l はナノカーボン粒子(GNPまたはCNT)の長さです。 r GNP(MWCNT) はフィラー粒子の電気抵抗です(円盤状粒子の場合— \({r} _ {GNP(disk)} ={\ rho} _ {GNP} \ cdot \ frac {d} {d \ cdot h} =\ frac {\ rho_ {GNP}} {\ mathrm {h}} \)、円筒形の場合— \({r} _ {\ mathrm {MWCNT} \ left(\ mathrm {cylinder} \ right)} ={\ rho} _ {\ mathrm {MWCNT}} \ cdot \ frac {4 l} {\ pi {d} ^ 2} \))、 h はナノカーボン粒子の厚さ、 d は直径、 R к は、フィラー(CNTまたはGNP)の粒子間の単一接触の電気抵抗です。

要約すると、ポリマー/ナノカーボンCMの電気抵抗は[30]:

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

ここで N * chain_in_CM は、並列に接続されたナノカーボンチェーンの数です。この数は、導電性に関与する粒子の総量に比例します。 F はパッキングファクター( F =GNPおよび F の場合は0.05 =CNTの場合は0.06)、 z = h はGNP用で、\(z =\ frac {d ^ 2} {l} \)はCNT用です。このモデルは、臨界濃度 ϕ だけでなく考慮されます。 cr 、充填率 F 、およびフィラーの電気抵抗率 r GNP(MWCNT) 粒子の形態(アスペクト比)もあります。

提案されたモデルに関して、次の値が計算されました:電気伝導率の濃度依存性σ dc ϕ )、接触電気抵抗 R к 、および中断されていないチェーンの数 N * chain_in_CM (図6、表3を参照)。

接触抵抗 R k 研究されたCMの、式を使用して計算された。 (3)

<図>

表3からわかるように、接触電気抵抗の値 R к 10 +6 で最小を示します –10 +7 ハイブリッドフィラーの場合はΩ、最大値は10 +9 付近 –10 +10 CNTに基づくCMのΩ。 CNTベースのCMには、中断されていないチェーンの合計量が300(600)倍多い N * chain_in_CM 濃度2.70vol%のGNP(ハイブリッドフィラー)に基づくCMよりも。 L285 / MWCNT / GNPの電気伝導率は、バイナリCMの電気伝導率よりも高くなっています(図2)。

他方、ナノカーボン粒子の導電性ネットワークの形成は、必ずしも高い導電性を引き起こさないであろう。 [31]によると、数値シミュレーションでは、異なるナノチューブ間の接触抵抗は100kOhmから3.4MOhmまで変化し、接触表面の原子構造と粒子の構造緩和に強く依存することが示されました。フィラーコンポーネントの接触点間の誘電体層の形成中に(濡れのために)接触抵抗が現れることがあります。この誘電体層は、導電率の低下を引き起こし、電荷キャリアのトンネリングを刺激します[32]。

電気抵抗 R к 2つの接触する粒子間のは次のように評価できます[33]:

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

ここで、δ はポリマー層の厚さです。 j トンネル電流の密度です。 V 電位差です。 e および m それぞれ、電子の電荷と質量です。 h プランク定数です。 λ はバリアの高さです[34,35,36](エポキシの場合λ ≈1eV[33]);および w は断面トンネリング値です。

図7は、導電率のトンネリングメカニズムの場合の電気接触抵抗の値が、さまざまな断面トンネリング値(式4を使用して計算)のフィラー粒子間の距離(ポリマー層の厚さ)に依存することを示しています。 。

断面トンネリングのさまざまな値に対する、フィラー粒子間のポリマー層の厚さに対する接触抵抗の依存性 w

図7は、 R の強い依存性を示しています k (tunel) δ 。したがって、δの増加に伴い 0.5〜2.5 nmの値、 R k (tunel) トンネルの断面積に関係なく、値は9桁増加しました w

数値シミュレーションでは、GNP粒子間の距離が w で1.63nmから1.53nmにゆっくりと低下することが示されました。 =40×40nm 2 δの導電性チェーンのトンネリングと破壊がないことを確認します ≤1.63nm。

CNTベースのCMの場合、δの減少 w で1.83〜1.57 nm =10×10nm 2 これは、GNPサイズと比較してCNTのサイズが小さいことが原因です。 δと仮定します 紫外線処理(粒子官能基からの表面の洗浄)とポリマーとフィラー粒子間のより良い接触により、GNPベースのCMの割合は小さくなります[22、23]。

ハイブリッドフィラーを使用したCMは、δの減少を示します w の場合は1.07〜0.82 nm(1.32〜1.05 nm) =10×10nm 2 w =40×40nm 2

図7と表3からわかるように、ポリマー層の厚さδ ハイブリッドフィラーを使用したCMの場合、CNTベースのCMの導電性チェーンの量が多いにもかかわらず、トンネリング断面の大きさに関係なく最小になります。

結論

低粘度のナノカーボンを含むポリマー溶液では、2つのパーコレーションしきい値が形成されることがわかっています。 1つ目は、混合物が硬化するまでの光分離ナノカーボン粒子の動きに自然が関連する準動的パーコレーション遷移です。 2番目のパーコレーション遷移は静的であり、古典的なパーコレーション理論で説明されており、実効電気抵抗率のモデルの観点から、導電性チェーンの数とフィラー粒子間の接触抵抗を計算できます。ハイブリッドフィラーを使用した(つまり、カーボンナノチューブとグラファイトナノプレートレットを使用した)CMのパーコレーションしきい値を超えると、相乗効果があることがわかっています。両方のフィラーの粒子間の接触抵抗を低減することにより、ハイブリッドフィラーを使用したCMの相乗効果が可能であることが示されています。これは、粒子間のポリマー層の厚さの減少と適度な量の出現に関連している可能性があります。単一の鎖に含まれる粒子の数の増加に伴う導電性鎖。


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