The results of investigation of electrodynamic properties of polymer composite materials with multiwall carbon nanotube filler are presented. The influence of the filler alignment inside the composite material on its interaction with electromagnetic radiation is investigated.Изложены результаты исследований электродинамических свойств полимерных композитных материалов с наполнителем в виде многослойных углеродных нанотрубок. Изучено влияние ориентирования наполнителя внутри композита на взаимодействие его с электромагнитным излучением

A. Trukhanov V.

E. Yakovenko S.

L. Matzui Yu.

L. Vovchenko L.

V. Launetz L.

V. Oliynyk V.

А. Труханов В.

В. Лаунец Л.

В. Олейник В.

Е. Яковенко С.

Л. Вовченко Л.

Л. Мацуй Ю.

E. S. Yakovenko

L. Yu. Matzui

L. L. Vovchenko

V. V. Oliynyk

V. L. Launetz

A. V. Trukhanov

Е. С. Яковенко

Л. Ю. Мацуй

Л. Л. Вовченко

В. В. Олейник

В. Л. Лаунец

А. В. Труханов

Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Physical-Technical Series / Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук

34ВЕСЦІ НАЦЫЯНАЛЬНАЙ АКАДЭМІІ НАВУК БЕЛАРУСІ № 1 2015СЕРЫЯ ФІЗІКА-ТЭХНІЧНЫХ НАВУКУДК 537.876Е. С. ЯКОВЕнКО1, Л. Ю МАцУй1, Л. Л. ВОВЧЕнКО1, В. В. ОЛЕйнИК1,  В. Л. ЛАУнЕц1, А. В. ТРУХАнОВ2ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ  С ОРИЕНТИРОВАННЫМИ УГЛЕРОДНЫМИ НАНОТРУБКАМИ1Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко, 2научно-практический центр нАн Беларуси по материаловедению(Поступила в редакцию 05.12.2014)Введение. Структуры на основе углерода играют важную роль в получении материалов для поглощения и экранирования электромагнитного излучения (ЭМИ) [1, 2] благодаря их низкой массе и соответствующим электронным свойствам. Растет интерес к созданию композитов, в которых используются наноуглеродные материалы в связи с тем, что наноразмерные наполни-тели имеют ряд преимуществ с точки зрения их структурных и электрических свойств по срав-нению с традиционными углеродными наполнителями (углеродные волокна, сажа и т. д.) [3, 4]. Несмотря на тот факт, что экранирующие свойства в сочетании с механическими, электрически-ми, тепловыми, оптическими и многими другими свойствами в последнее время широко иссле-дуются многими исследовательскими группами, данные о них достаточно разрозненные и не всегда являются удовлетворительными. Введение в полимерную матрицу углеродного наполни-теля позволяет изменить диэлектрические свойства материала. Ориентирование углеродного на-полнителя позволяет усилить эти свойства в одном направлении и ослабить в другом [5]. В ре-зультате материал более эффективно экранирует ЭМИ.Цель данной работы – изучение электрической проводимости, диэлектрической проницаемо-сти, ослабления ЭМИ в диапазоне частот 26–55,5 ГГц в композитных материалах (КМ) на осно-ве многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) в эпоксидной смоле с ориентированным рас-пределением наполнителя.Материалы и методика экспериментов. В качестве полимерной матрицы использовали низковязкую эпоксидную смолу Ларит285 и отвердитель H285, в качестве наполнителя – МУНТ. Содержание МУНТ варьировалось от 0,05  до 1 мас. %. Для получения композитов с ориентиро-ванным распределением МУНТ в полимерной матрице хорошо диспергированную смесь МУНТ и эпоксидной смолы (диспергация достигалась воздействием ультразвука частотой 40 кГц и мощностью 50 Вт на протяжении 15 мин) после смешивания с отвердителем разливали в сили-коновые формы, на торцах которых предварительно закреплены две медные пластины в качестве электродов. После выливания в форму композитного раствора на данные пластины на протяже-нии 1 ч подавалось переменное напряжение частотой 15 кГц, при этом напряженность электри-ческого поля составляла 125 кВ/м. Значение амплитуды электрического поля контролировалось универсальным вольтметром В7-17А. После этого композиты выдерживались при комнатной температуре до окончательной полимеризации, затем просушивались в сушильном шкафу в те-чение 5 ч при температуре от 40 до 80 °C (температура увеличивалась на 10 °C каждый час).Размеры образцов для исследований их взаимодействия с электромагнитным излучением со-ответствовали сечению металлических волноводов и составили 7,2×3,4×3,4 и 5,2×2,6×2,6 мм3.Характер распределения МУНТ исследовался методом оптической микроскопии с помощью бинокулярного стереоскопического микроскопа МБС-1, оснащенного цифровой камерой Etrek DCM510. Электродинамические характеристики образцов изучались в диапазонах частот 26–3537,5 и 37–53 ГГц. Экранирующие свойства измерялись модернизированными приборами P2-65 и Р2-68, значение диэлекрической проницаемости композитов – методом волноводной измери-тельной линии. Измерения проводились в режиме короткого замыкания. Метод измерения элек-тродинамических свойств исследуемых материалов подробно описан в [6].Результаты эксперимента и их обсуждение. Анализ результатов исследования характера распределения наполнителя в полимерной матрице при формовании композита в электрическом поле методом оптической спектроскопии показал [7], что при взаимодействии переменного элек-трического поля и композитного раствора эпоксидная смола/МУНТ последние ориентируются по направлению силовых линий электрического поля. На рис. 1 приведены фотографии распре-деления МУНТ в полимерном композите с концентрацией наполнителя 0,05 мас.% МУНТ/Ла-рит285 при различных условиях проведения процессов полимеризации.Как видно из рис. 1, а, распределение МУНТ в эпоксидной матрице при формовании компо-зита без воздействия электрического поля достаточно однородно, что обеспечивается предвари-Рис. 1. Оптические изображения композитного материала с концентрацией наполнителя 0,05 мас.% МУНТ/Ларит285: а – полимеризация без воздействия электрического поля; б – полимеризация при воздействии электрического поля частотой 15 кГц и напряженностью 80 кВ/м36тельным диспергированием раствора МУНТ в эпоксидной смоле Ларит285. Для композитов, по-лученных при воздействии электрического поля частотой 15 кГц и напряженностью 80 кВ/м, наблюдается заметное структурирование наполнителя в матрице, проявляющееся в виде фор ми-рования цепочек МУНТ вдоль направления приложения электрического поля.Исследования электропроводимости полученных композитов показали наличие анизотро-пии электрофизических свойств в образцах МУНТ/Ларит285, полученных при воздействии на них электрического поля. Для композита с концентрацией наполнителя 0,05 мас.% МУНТ/Ла-рит285 величина проводимости по направлению приложения переменного поля sa превышает ее значение в перпендикулярном направлении sb в 290 раз, а для композита с концентрацией на-полнителя 1 мас.% МУНТ/Ларит285 – в 25 раз (табл. 1).Т а б л и ц а  1.  Концентрационная зависимость анизотропии электропроводимости КМ МУНТ/Ларит285СМУНТ, мас. % 0,05 0,1 0,2 0,4 1sa, См/м 2,90.10–6 60,24.10–6 6,92.10–6 14,01.10–6 6,28.10–6sb, См/м 0,01.10–6 0,34.10–6 0,38.10–6 5,35.10–6 0,25.10–6В диапазоне частот 26–53 ГГц проведены исследования диэлектрической проницаемости как ориентированных КМ МУНТ/Ларит285 с концентрацией наполнителя СМУНТ ≤ 1 мас.% при па-раллельной (Е || оси МУНТ) и перпендикулярной (Е ^оси МУНТ) ориентациях вектора электри-ческой поляризации волны Е и осей углеродных нанотрубок (УНТ), так и неориентированных КМ. На рис. 2 показана зависимость диэлектрической проницаемости образцов КМ от концен-трации МУНТ при различной электрической поляризации волны вектора Е и осей УНТ в ком- позите.Результаты исследования электродинамических характеристик КМ МУНТ/Ларит285 с ориентированными МУНТ показывают их зависимость от поляризации вектора Е, падающего на образцы излучения.Как видно из рис. 2 и табл. 2, где приведены данные по относительному изменению диэлек-трической проницаемости eкм/eЛарит285, при параллельной ориентации вектора Е и осей УНТ зна-чения диэлектрической проницаемости больше, чем при его перпендикулярной ориентации.Для КМ МУНТ/Ларит285 с изотроп-ным распределением МУНТ в полимер-ной матрице наблюдается выраженная зависимость диэлектрической прони- цаемости от концентрации наполнителя при СМУНТ ≤ 1 мас.%, однако частот- ная зависимость в диапазоне 26–53 ГГц практически не наблюдается. Ориенти-рование МУНТ в КМ приводит не толь-ко к усилению концентрационной зави-симости диэлектрической проницаемо-сти, но и появлению ее зависимости от частоты (понижение значения eкм при повышении частоты падающего ЭМИ).Проведено исследование эффектив-ности ослабления ЭМИ в КМ МУНТ/Ларит285 как для композитов с ориенти-рованным, так и для композитов с неориен-  тированным распределением МУНТ в их объеме. На рис. 3 представлена частот-ная зависимость коэффициента ослабле-ния ЭМИ для КМ МУНТ/Ларит285. Как Рис. 2. Зависимость диэлектрической проницаемости от концен-трации МУНТ в КМ при различных ориентациях вектора поля-ризации волны ЭМИ и осях трубок в композите при разных час-тотах падающего ЭМИ: f = 26 ГГц (кривые 1, 2, 3), f = 53 ГГц (кривые 1 ,´ 2 ,´ 3´). Кривые 1, 1´  – неориентированные МУНТ, 2, 2´ – вектор Е ^ оси ориентирования МУНТ, 3, 3´ – вектор Е || оси ориентирования МУНТ37видно из рисунка, в диапазоне частот 26–37,5 ГГц наблюдается увеличение поглощения электро-магнитного излучения УНТ. Это подтверждает тот факт, что углерод, в частности УНТ, за счет высокой поляризуемости в переменном электрическом поле способен эффективно поглощать электромагнитную энергию [1, 8, 9].Применение композитов с МУНТ, ориентированными в полимерной матрице при помощи внешнего электрического поля, значительно увеличивает эффективность экранирования ЭМИ.Ослабление ЭМИ растет с увеличением концентрации МУНТ в КМ. Для ориентированных композитов взаимодействие с ЭМИ усиливается при параллельной ориентации вектора Е и осей МУНТ – растет вносимое ослабление, а при перпендикулярной ориентации взаимодействие уменьшается и ослабление становится меньше, хотя остается соизмеримым с неориентирован-ным КМ с такой же концентрацией МУНТ (рис. 3).Заключение. В результате пространственной ориентации МУНТ в КМ под действием внешне-го электрического поля возникает анизотропия структурных, электрических и электродинамиче-ских свойств (электропроводимости, диэлектрической проницаемости, коэффициента ослабления ЭМИ в композите). Данный эффект усиливается с увеличением содержания МУНТ в КМ.Показано, что ослабление ЭМИ растет в случае параллельной ориентации вектора Е и осей УНТ. В случае перпендикулярной ориентации вектора Е ЭМИ относительно осей МУНТ вноси-мое ослабление меньше. Концентрационная зависимость диэлектрической проницаемости для неориентированных КМ не зависит от частоты. Частотная зависимость диэлектрической проницаемости возрастает с увеличением концентрации МУНТ в КМ.Т а б л и ц а  2.  Относительное изменение диэлектрической проницаемости КМ МУНТ/Ларит285  при повышении концентрации МУНТ для ориентированных и неориентированных КМ  при разных частотах падающего ЭМИСМУНТ, мас.%Относительное изменение диэлектрической проницаемости eкм/eЛарит, %Неориентирован-ные МУНТ Е || оси МУНТ Е ^ оси МУНТ Неориентирован-ные МУНТЕ || оси МУНТ Е ^ оси МУНТ f = 53 ГГц f = 26 ГГц0,05 0,36 7,14 1,43 0 6,07 1,070,1 5,96 13,93 5,36 6,07 16,43 3,570,2 12,14 17,86 9,29 8,93 18,57 6,070,4 24,29 27,86 24,64 25,36 35,71 28,571 36,43 62,14 30,36 35,71 71,43 42,86Рис. 3. Зависимость коэффициента ослабления ЭМИ от частоты для КМ МУНТ/Ларит285; 1 –5 – ось ориентации МУНТ совпадает с направлением распространения ЭМИ, 6–10 – ось ориентации МУНТ перпендикулярна направле-нию распространения ЭМИ, 11–15 – неориентированный композит; 2, 7, 12 – 0,05 мас.%; 3, 8, 13 – 0,1 мас.%; 1, 6, 11 – 0,2 мас.%; 4, 9, 14 – 0,4 мас.%; 5, 10, 15 – 1 мас.%Литература1. Qin F., Brosseau C. // J. Appl. Phys. 2012. Vol. 111. P. 061301-1–24.2. Wang G.-S. et al. // J. Mater. Chem. A. 2013. Vol.1, issue 24. P. 7031–36.3. Li B. et al. //. Tech. Proceed. of NSTI-Nanotech. 2013. Vol.1. P. 276–279.4. Liu L., Das A., Megaridis C. M. // Carbon. 2014. Vol.69. P. 1–16.5. Vovchenko L. et al. // Physica E. 2012. Vol. 44, issue  6. P. 928–931.6. Vovchenko L. et al. // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 2008. Vol.497. P. 46–54.7. Яковенко О. С. и др. // Вісник КНУ. Сер. фіз.-мат. науки. 2014. № 2. С. 283–290.8. Vovchenko L. et al. // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 2011. Vol.535. P. 179–188.9. Vovchenko L. et al. // Intern. Journ. of Nanoscience. 2008. Vol. 7. P. 263–268.E. S. YAKOVENKO, L. Yu. MATZUI, L. L. VOVCHENKO, V. V. OLIYNYK, V. L. LAUNETZ, A. V. TRUKHANOVDIELECTRIC PROPERTIES OF COMPOSITE MATERIALS WITH ALIGNED CARBON NANOTUBESSummaryThe results of investigation of electrodynamic properties of polymer composite materials with multiwall carbon nano-tube filler are presented. The influence of the filler alignment inside the composite material on its interaction with electromag-netic radiation is investigated.

Диэлектрические свойства композитных материалов с ориентированными углеродными нанотрубками

https://vestift.belnauka.by/jour/article/download/86/87

Диэлектрические свойства композитных материалов с ориентированными углеродными нанотрубками

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Physical-Technical Series / Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук