Розмiрнi ефекти в електричних властивостях вуглецево-полiпропiленових композитiв
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe61.11.1008Ключові слова:
composite, carbon filler, conductivity, dielectric permittivity, interphase layerАнотація
Наведено температурнi залежностi опору, вольт-ампернi характеристики й дiелектричнi спектри композитiв на основi полiпропiлену й наповнювачiв з мiкро- i нанорозмiрних вуглецевих частинок. Зменшення середнього розмiру частинок провiдникового наповнювача при iнших однакових умовах приводить до зменшення абсолютних значень питомого електричного опору; зсуву позисторної дiлянки вольт-амперної характеристики убiк меншої напруженостi електричного поля й бiльших струмiв i зростання низькочастотної дiелектричної проникностi дослiджених композитiв. Показано, що однiєю з iнтерпретацiй прояву такого “розмiрного” ефекту можуть бути уявлення про збiльшення ефективної об’ємної долi провiдникового наповнювача внаслiдок iснування в полiпропiленовiй матрицi мiжфазного прикордонного шару з вiдмiнними вiд об’ємного полiпропiлену електричними властивостями, у якому можливе перемiщення носiїв заряду. Тобто змiни розмiру частинок вуглецю ведуть до змiн питомої поверхнi та ефективної долi провiдникового наповнювача.
Посилання
R. L?ohnert, H. Bartsch, R. Schmidt, B. Capraro, J. T?opfer. Microstructure and electric properties of CaCu3Ti4O12 multilayer capacitors. J. Am. Ceram. Soc. 98, 141 (2015) https://doi.org/10.1111/jace.13260
H. Cheng, W. Zhou, H. Du, F. Luo, D. Zhu, B. Xu. MnO2-modified 0.98 (K0.5Na0.5)NbO3–0.02 LaFeO3 ceramics with low dielectric loss for high temperature ceramics capacitors applications. Ceram. Int. 40, 5019 (2014) https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.08.095
T.K. Gupta. Application of zinc oxide varistors. J. Am. Ceram. Soc. 73, 1817 (1990) https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1990.tb05232.x
D.R. Clarke. Varistor ceramics. J. Am. Ceram. Soc. 82, 485 (1999) https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1999.tb01793.x
A. Glot, G. Behr, Werner. Current limiting effect in In2O3 ceramics based structures. Key Eng. Mater. 206, 1441 (2002) https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM. 206-213.1441
A. Bondarchuk, A. Glot, G. Behr, J. Werner. Current saturation in indium oxide based ceramics. Eur. Phys. J. Appl. Phys. 39, 211 (2007) https://doi.org/10.1051/epjap:2007112
A.B. Glot, S.V. Mazurik, B.J. Jones, A.N. Bondarchuk, R. Bulpett, N. Verma. Current limiting and negative differential resistance in indium oxide based ceramics. J. Eur. Ceram. Soc. 30, 539 (2010) https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2009.06.033
A.B. Glot, S.V. Mazurik. Non-Ohmic conduction in In2O3–Bi2O3 ceramics. Physica B 428, 65 (2013) https://doi.org/10.1016/j.physb.2013.07.017
W. Heywang. Amorphe und Polykristalline Halbleiter. (Springer, 1984) https://doi.org/10.1007/978-3-642-95447-4
W. Zhang, A.A. Dehghani-Sanij, R.S. Blackburn. Carbon based conductive polymer composites. J. Mater. Sci. 42, 3408 (2007) https://doi.org/10.1007/s10853-007-1688-5
A. Rybak, G. Boiteux, F. Melis, G. Seytre. Conductive polymer composites based on metallic nanofiller as smart materials for current limiting devices. Compos. Sci. Technol. 70, 410 (2010) https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2009.11.019
J. Aneli, G. Zaikov, O. Mukbaniani, Physical principles of the conductivity of electrically conductive polymer composites (Review). Mol. Cryst. Liq. Cryst. 554, 167 (2012) https://doi.org/10.1080/15421406.2012.633866
Y. Liu, S. Kumar. Polymer/carbon nanotube nano composite fibers – A review. ACS Appl. Mater. Interfaces 6, 6069 (2014) https://doi.org/10.1021/am405136s
A.B. Glot, A.M. Makeev. Non-linear electrical characteristics of composite layers conductor-dielectric. Phys. Chem. Solid State 2, 375 (2001).
I.A. Morozov, A.L. Svistkov, G.B. Heinrich. Structure of the carbon-black-particles framework in filled elastomer materials. Polym. Sci. Ser. A 49, 292 (2007) https://doi.org/10.1134/S0965545X07030091
A. Montazeri, R. Naghdabadi. Investigation of the interphase effects on the mechanical behavior of carbon nanotube polymer composites by multiscale modeling. J. Appl. Polym. Sci. 117, 361 (2010) https://doi.org/10.1002/app.31460
J. Fr?ohlich, W. Niedermeier, H.D. Luginsland. The effect of filler–filler and filler–elastomer interaction on rubber reinforcement. Composites Part A: Appl. Sci. Manufact. 36, 449. (2005) https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2004.10.004
S.Y. Fu, X.Q. Feng, B. Lauke, Y.W. Mai. Effects of particle size, particle/matrix interface adhesion and particle loading on mechanical properties of particulate–polymer composites. Composites Part B: Engineering 39, 933 (2008) https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2008.01.002
A.N. Rassokha, A.N. Cherkashyna, T.I. Chramova. Influence of the interphase layer origin on the properties of furan-epoxy composites. Integr. Technol. Ener. Conserv. 2, 124 (2011).
K.T. Chung, A. Sabo, A.P. Pica. Electrical permittivity and conductivity of carbon black-polyvinyl chloride composites. J. Appl. Phys. 53, 6867 (1982) https://doi.org/10.1063/1.330027
Ye.P. Mamunya, V.V. Davydenko, P. Pissis, and E.V. Lebedev. Electrical and thermal conductivity of polymers filled with metal powders. Eur. Polym. J. 38, 1887 (2002) https://doi.org/10.1016/S0014-3057(02)00064-2
L. Cui, Y. Zhang, Y. Zhang, X. Zhang, W. Zhou. Electrical properties and conductive mechanisms of immiscible polypropylene/Novolac blends filled with carbon black. Eur. Polym. J. 43, 50976 (2007) https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2007.08.023
W. Bauhofer, J.Z. Kovacs. A review and analysis of electrical percolation in carbon nanotube polymer composites. Compos. Sci. Technol. 69, 1486 (2009) https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2008.06.018
S.G. Shin. A study on the percolation threshold of polyethylene matrix composites filled carbon powder. Electron. Mater. Lett. 6, 65 (2010) https://doi.org/10.3365/eml.2010.06.065
G.M. Tsangaris, G.C. Psarras, N. Kouloumbi. Electric modulus and interfacial polarization in composite polymeric systems. J. Mater. Sci. 33, 2027. (1998) [DOI:10.1023/A:1004398514901
G.C. Psarras, E. Manolakaki, G.M. Tsangaris. Dielectric dispersion and ac conductivity in – Iron particles loaded –polymer composites. Composites Part A 34, 1187 (2003) https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2003.08.002
J. Zhang, M. Mine, D. Zhu, M. Matsuo. Electrical and dielectric behaviors and their origins in the threedimensional polyvinyl alcohol/MWCNT composites with low percolation threshold. Carbon 47, 1311 (2009) https://doi.org/10.1016/j.carbon.2009.01.014
S.-G. Shin, I.-K. Kwon. Effect of temperature on the dielectric properties of carbon black-filled polyethylene matrix composites below the percolation threshold. Electron. Mater. Lett. 7, 249 (2011) https://doi.org/10.1007/s13391-011-0913-1
Y. Dang, Y. Wang, Y. Deng, L.I. Mao, Y. Zhang, Z.W. Zhang. Enhanced dielectric properties of polypropylene based composite using Bi2S3 nanorod filler. Prog. Nat. Sci.: Mater. Int. 21, 216 (2011) https://doi.org/10.1016/S1002-0071(12)60033-1
A.S. Tonkoshkur, S.F. Sklyar, E.F. Afonko. Effect of built-in charge on dielectric phenomena in inhomogeneous matrix-type structure. Russ. Phys. J. 31, 108 (1988).
M.C. Righi, S. Scandolo, S. Serra, S. Iarlori, E. Tosatti, G. Santoro. Surface states and negative electron affinity in polyethylene. Phys. Rev. Lett. 87, 076802 (2001) [DOI:10.1103/PhysRevLett.87.076802
A.V. Degtyar’ov, A.S. Tonkoshkur, A.Yu. Lyashkov. Electrical properties of posistor composite materials based on polyethylene-graphite. Multidisc. Model. Mater. Struct. 2, 435 (2006) https://doi.org/10.1163/157361106778554897
N.A. Drokin, G.A. Kokourov, G.A. Glushchenko, I.V. Osipova, A.N. Maslennikov, G.N. Churilov. Effect of electrode material on impedance spectra of metal-polyethylene structures with carbon nanotubes. Phys. Solid State 54, 844 (2012) https://doi.org/10.1134/S1063783412040063
V.R. Kolbunov, A.S. Tonkoshkur, K.V. Antonova. Structure and dielectric properties in the radio frequency range of polymer composites based vanadium dioxide. Tekhnol. Konstruir. Elektr. Apparat. 2-3, 47 (2015) https://doi.org/10.15222/TKEA2015.2-3.47
M.F. Wartenberg, J.G. Lahlouh, J. Toth. Patent US5747147 MKI B32B9/00 Conductive polymer composition and device: No. 19970130; Publ. 05.05.98.
B.I. Shklovskii, A.L. Efros. Electronic Properties of Doped Semiconductors. (Springer, 1984) https://doi.org/10.1007/978-3-662-02403-4_3
P.G. De Gennes. On a relation between percolation theory and the elasticity of gels. J. Phys. Lett. 37, 1 (1976) https://doi.org/10.1051/jphyslet:019760037010100
A.K. Jonscher. Admittance spectroscopy of systems showing low-frequency dispersion. Electrochim. Acta 35, 1595 (1990) https://doi.org/10.1016/0013-4686(90)80015-G
F. Kremer, A. Sch?onhals. Broadband Dielectric Spectroscopy (Springer, 2003) https://doi.org/10.1007/978-3-642-56120-7_3
S. Wr?obel, B. Gestblom, J. Jad?zyn et al. Dielectric relaxation spectroscopy, in Relaxation Phenomena (Springer, 2003), p. 13 [DOI: 10.1007/978-3-662-09747-2_2
S.S. Dukhin, V.N. Shilov. Dielectric Phenomena and the Double Layer in Disperse Systems and Polyelectrolytes (Wiley, 1974).
A.S. Tonkoshkur, I.M. Chernenko. Effect of surface electrical conductivity on dielectric characteristics of polydisperse semiconductors. Sov. Phys. J. 19, 1407 (1976) https://doi.org/10.1007/BF00890783
G. Banhegyi. Numerical analysis of complex dielectric mixture formulae. Colloid. Polym. Sci. 266, 11 (1988) https://doi.org/10.1007/BF01451527
Polypropylene Handbook: Polymerization, Characterization, Properties, Processing, Applications, edited by E.P. Moore et al. (Hanser Publ., 1996) [ISBN-10:1569902089
A.G. Betekhtin. A Course of Mineralogy (Mir Publ., 1967).
D.C. Giancoli. General Physics (Prentice-Hall, 1984).
P. Fischer, P. R?ohl. Thermally stimulated and isothermal depolarization currents in low-density polyethylene. J. Polym. Sci. B 14, 531 (1976) https://doi.org/10.1002/pol.1976.180140313
J. Orrit, J.C. Canadas, J. Sellares et al. Identification of dipolar relaxations in dielectric spectra of mid-voltage cross-linked polyethylene cables. J. Electrostatics 69, 119 (2011) https://doi.org/10.1016/j.elstat.2011.01.005
V. Panwar, J.O. Park, S.H. Park, S. Kumar, R.M. Mehra. Electrical, dielectric, and electromagnetic shielding properties of polypropylene-graphite composites. J. Appl. Polym. Sci. 115, 1306 (2010) https://doi.org/10.1002/app.29702
J.K. Yuan, S.H. Yao, A. Sylvestre, J. Bai. Biphasic polymer blends containing carbon nanotubes: heterogeneous nanotube distribution and its influence on the dielectric properties. J. Phys. Chem. C 116, 2051 (2012) https://doi.org/10.1021/jp210872w
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
