Электропроводность механической смеси углеродных нанотрубок и терморасширенного графита при различных концентрациях и степени сжатия
Изучено изменение электропроводности σ(ρ) смеси сверхупругих многослойных углеродных нанотрубок (УНТ) и пластичного терморасширенного графита (ТРГ) в цилиндре под поршнем при сжатии и разгрузке. При сжатии появляется прямой перколяционный переход (ПП), и σ(ρ) растёт, что обусловлено увеличением чи...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
|---|---|
| Datum: | 2009 |
| Hauptverfasser: | , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
2009
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76536 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Электропроводность механической смеси углеродных нанотрубок и терморасширенного графита при различных концентрациях и степени сжатия / М.М. Нищенко, Г.Ю. Михайлова, Е.И. Архипов, В.Ю. Кода, Г.П. Приходько, Ю.И. Семенцов // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 3. — С. 717-726. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-76536 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Нищенко, М.М. Михайлова, Г.Ю. Архипов, Е.И. Кода, В.Ю. Приходько, Г.П. Семенцов, Ю.И. 2015-02-10T19:20:19Z 2015-02-10T19:20:19Z 2009 Электропроводность механической смеси углеродных нанотрубок и терморасширенного графита при различных концентрациях и степени сжатия / М.М. Нищенко, Г.Ю. Михайлова, Е.И. Архипов, В.Ю. Кода, Г.П. Приходько, Ю.И. Семенцов // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 3. — С. 717-726. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 61.48.De,72.60.+g,72.80.Tm,73.63.Fg,81.05.ub,81.07.Oj,81.40.Rs https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76536 Изучено изменение электропроводности σ(ρ) смеси сверхупругих многослойных углеродных нанотрубок (УНТ) и пластичного терморасширенного графита (ТРГ) в цилиндре под поршнем при сжатии и разгрузке. При сжатии появляется прямой перколяционный переход (ПП), и σ(ρ) растёт, что обусловлено увеличением числа контактов в смеси, затем снижается по причине упругой деформации УНТ. Структурная перестройка при сжатии завершается при достижении плотности 0,35—0,55 г/см3 . При разгрузке проводимость восстанавливается до максимального значения по причине упругих свойств УНТ, затем резко падает (обратный перколяционный переход). В смеси УНТ и ТРГ прямой ПП снижается (по сравнению с ПП в УНТ и ТРГ) примерно в 2 раза до значений 0,05—0,06 г/см3 , что свидетельствует о разрыхлении структуры. Появление гистерезиса между прямым и обратным ПП вызвано неупругими процессами при деформации. Вивчено зміну електропровідности σ(ρ) суміші надпружніх багатошарових вуглецевих нанорурок (ВНР) і пластичного терморозширеного графіту (ТРГ) в циліндрі під толоком при стисненні і розвантаженні. При стисненні відбувається прямий перколяційний перехід (ПП), і σ(ρ) зростає, що зумовлено збільшенням числа контактів у суміші, потім знижується внаслідок пружньої деформації ВНР. Структурна перебудова при стисненні завершується при досягненні густини 0,35—0,55 г/см3 . При розвантаженні провідність відновлюється до максимального значення внаслідок пружніх властивостей ВНР, потім різко спадає (зворотній перколяційний перехід). В суміші ВНР і ТРГ прямий ПП знижується (у порівнянні з ПП в ВНР і ТРГ) приблизно в 2 рази до значень 0,05—0,06 г/см3 , що свідчить про розпушення структури. Поява гістерези між прямим і зворотнім ПП викликана непружніми процесами при деформації. Change in conductivity σ(ρ) of mixture of superelastic multiwall carbon nanotubes (MWCNT) and plastic thermoexpanded graphite (TEG) in cylinder with piston is studied under compression and unloading. Direct percolation transition (PT) appears at compression, and σ(ρ) increases due to increase of electric-contacts number in mixture, then it decreases due to elastic deformation of MWCNT. Restructuring under compression completes at density of 0.35— 0.55 g/cm3 . During unloading, conductivity restores to maximum value due to elastic properties of MWCNT, then it falls sharply (reverse percolation transition). Within the MWCNT—TEG mixture, direct PT decreases twice (as compared with PT in MWCNT and in TEG) to value of 0.05—0.06 g/cm3 . This testifies that structure loosens. Appear of hysteresis between direct and reverse transitions is caused by non-elastic processes during deformation. Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках программы «Наноструктурные системы, наноматериалы, нанотехнологии» (проект № 33/08-Н). ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Электропроводность механической смеси углеродных нанотрубок и терморасширенного графита при различных концентрациях и степени сжатия Electric Conductivity of Mechanical Mixture of Carbon Nanotubes and Thermally Extended Graphite at Different Concentrations and Degrees of Compression Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Электропроводность механической смеси углеродных нанотрубок и терморасширенного графита при различных концентрациях и степени сжатия |
| spellingShingle |
Электропроводность механической смеси углеродных нанотрубок и терморасширенного графита при различных концентрациях и степени сжатия Нищенко, М.М. Михайлова, Г.Ю. Архипов, Е.И. Кода, В.Ю. Приходько, Г.П. Семенцов, Ю.И. |
| title_short |
Электропроводность механической смеси углеродных нанотрубок и терморасширенного графита при различных концентрациях и степени сжатия |
| title_full |
Электропроводность механической смеси углеродных нанотрубок и терморасширенного графита при различных концентрациях и степени сжатия |
| title_fullStr |
Электропроводность механической смеси углеродных нанотрубок и терморасширенного графита при различных концентрациях и степени сжатия |
| title_full_unstemmed |
Электропроводность механической смеси углеродных нанотрубок и терморасширенного графита при различных концентрациях и степени сжатия |
| title_sort |
электропроводность механической смеси углеродных нанотрубок и терморасширенного графита при различных концентрациях и степени сжатия |
| author |
Нищенко, М.М. Михайлова, Г.Ю. Архипов, Е.И. Кода, В.Ю. Приходько, Г.П. Семенцов, Ю.И. |
| author_facet |
Нищенко, М.М. Михайлова, Г.Ю. Архипов, Е.И. Кода, В.Ю. Приходько, Г.П. Семенцов, Ю.И. |
| publishDate |
2009 |
| language |
Russian |
| container_title |
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
| publisher |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Electric Conductivity of Mechanical Mixture of Carbon Nanotubes and Thermally Extended Graphite at Different Concentrations and Degrees of Compression |
| description |
Изучено изменение электропроводности σ(ρ) смеси сверхупругих многослойных углеродных нанотрубок (УНТ) и пластичного терморасширенного
графита (ТРГ) в цилиндре под поршнем при сжатии и разгрузке. При сжатии появляется прямой перколяционный переход (ПП), и σ(ρ) растёт, что
обусловлено увеличением числа контактов в смеси, затем снижается по
причине упругой деформации УНТ. Структурная перестройка при сжатии
завершается при достижении плотности 0,35—0,55 г/см3
. При разгрузке
проводимость восстанавливается до максимального значения по причине
упругих свойств УНТ, затем резко падает (обратный перколяционный переход). В смеси УНТ и ТРГ прямой ПП снижается (по сравнению с ПП в
УНТ и ТРГ) примерно в 2 раза до значений 0,05—0,06 г/см3
, что свидетельствует о разрыхлении структуры. Появление гистерезиса между прямым и
обратным ПП вызвано неупругими процессами при деформации.
Вивчено зміну електропровідности σ(ρ) суміші надпружніх багатошарових вуглецевих нанорурок (ВНР) і пластичного терморозширеного графіту (ТРГ) в циліндрі під толоком при стисненні і розвантаженні. При стисненні відбувається прямий перколяційний перехід (ПП), і σ(ρ) зростає,
що зумовлено збільшенням числа контактів у суміші, потім знижується
внаслідок пружньої деформації ВНР. Структурна перебудова при стисненні завершується при досягненні густини 0,35—0,55 г/см3
. При розвантаженні провідність відновлюється до максимального значення внаслідок
пружніх властивостей ВНР, потім різко спадає (зворотній перколяційний
перехід). В суміші ВНР і ТРГ прямий ПП знижується (у порівнянні з ПП в
ВНР і ТРГ) приблизно в 2 рази до значень 0,05—0,06 г/см3
, що свідчить про розпушення структури. Поява гістерези між прямим і зворотнім ПП
викликана непружніми процесами при деформації.
Change in conductivity σ(ρ) of mixture of superelastic multiwall carbon nanotubes
(MWCNT) and plastic thermoexpanded graphite (TEG) in cylinder with
piston is studied under compression and unloading. Direct percolation transition
(PT) appears at compression, and σ(ρ) increases due to increase of electric-contacts
number in mixture, then it decreases due to elastic deformation
of MWCNT. Restructuring under compression completes at density of 0.35—
0.55 g/cm3
. During unloading, conductivity restores to maximum value due
to elastic properties of MWCNT, then it falls sharply (reverse percolation
transition). Within the MWCNT—TEG mixture, direct PT decreases twice (as
compared with PT in MWCNT and in TEG) to value of 0.05—0.06 g/cm3
. This
testifies that structure loosens. Appear of hysteresis between direct and reverse
transitions is caused by non-elastic processes during deformation.
|
| issn |
1816-5230 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76536 |
| citation_txt |
Электропроводность механической смеси углеродных нанотрубок и терморасширенного графита при различных концентрациях и степени сжатия / М.М. Нищенко, Г.Ю. Михайлова, Е.И. Архипов, В.Ю. Кода, Г.П. Приходько, Ю.И. Семенцов // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 3. — С. 717-726. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT niŝenkomm élektroprovodnostʹmehaničeskoismesiuglerodnyhnanotrubokitermorasširennogografitaprirazličnyhkoncentraciâhistepenisžatiâ AT mihailovagû élektroprovodnostʹmehaničeskoismesiuglerodnyhnanotrubokitermorasširennogografitaprirazličnyhkoncentraciâhistepenisžatiâ AT arhipovei élektroprovodnostʹmehaničeskoismesiuglerodnyhnanotrubokitermorasširennogografitaprirazličnyhkoncentraciâhistepenisžatiâ AT kodavû élektroprovodnostʹmehaničeskoismesiuglerodnyhnanotrubokitermorasširennogografitaprirazličnyhkoncentraciâhistepenisžatiâ AT prihodʹkogp élektroprovodnostʹmehaničeskoismesiuglerodnyhnanotrubokitermorasširennogografitaprirazličnyhkoncentraciâhistepenisžatiâ AT semencovûi élektroprovodnostʹmehaničeskoismesiuglerodnyhnanotrubokitermorasširennogografitaprirazličnyhkoncentraciâhistepenisžatiâ AT niŝenkomm electricconductivityofmechanicalmixtureofcarbonnanotubesandthermallyextendedgraphiteatdifferentconcentrationsanddegreesofcompression AT mihailovagû electricconductivityofmechanicalmixtureofcarbonnanotubesandthermallyextendedgraphiteatdifferentconcentrationsanddegreesofcompression AT arhipovei electricconductivityofmechanicalmixtureofcarbonnanotubesandthermallyextendedgraphiteatdifferentconcentrationsanddegreesofcompression AT kodavû electricconductivityofmechanicalmixtureofcarbonnanotubesandthermallyextendedgraphiteatdifferentconcentrationsanddegreesofcompression AT prihodʹkogp electricconductivityofmechanicalmixtureofcarbonnanotubesandthermallyextendedgraphiteatdifferentconcentrationsanddegreesofcompression AT semencovûi electricconductivityofmechanicalmixtureofcarbonnanotubesandthermallyextendedgraphiteatdifferentconcentrationsanddegreesofcompression |
| first_indexed |
2025-11-24T18:04:26Z |
| last_indexed |
2025-11-24T18:04:26Z |
| _version_ |
1850491256593973248 |
| fulltext |
717
PACS numbers: 61.48.De, 72.60.+g, 72.80.Tm, 73.63.Fg, 81.05.ub, 81.07.Oj, 81.40.Rs
Электропроводность механической смеси углеродных
нанотрубок и терморасширенного графита при различных
концентрациях и степени сжатия
М. М. Нищенко, Г. Ю. Михайлова, Е. И. Архипов, В. Ю. Кода,
Г. П. Приходько*, Ю. И. Семенцов*
Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины,
бульв. Акад. Вернадского, 36,
03680, ГСП, Киев-142, Украина
*Институт химии поверхности им. А. А. Чуйко НАН Украины,
ул. Генерала Наумова, 17,
03680, ГСП, Киев-164, Украина
Изучено изменение электропроводности σ(ρ) смеси сверхупругих много-
слойных углеродных нанотрубок (УНТ) и пластичного терморасширенного
графита (ТРГ) в цилиндре под поршнем при сжатии и разгрузке. При сжа-
тии появляется прямой перколяционный переход (ПП), и σ(ρ) растёт, что
обусловлено увеличением числа контактов в смеси, затем снижается по
причине упругой деформации УНТ. Структурная перестройка при сжатии
завершается при достижении плотности 0,35—0,55 г/см
3. При разгрузке
проводимость восстанавливается до максимального значения по причине
упругих свойств УНТ, затем резко падает (обратный перколяционный пе-
реход). В смеси УНТ и ТРГ прямой ПП снижается (по сравнению с ПП в
УНТ и ТРГ) примерно в 2 раза до значений 0,05—0,06 г/см
3, что свидетель-
ствует о разрыхлении структуры. Появление гистерезиса между прямым и
обратным ПП вызвано неупругими процессами при деформации.
Вивчено зміну електропровідности σ(ρ) суміші надпружніх багатошаро-
вих вуглецевих нанорурок (ВНР) і пластичного терморозширеного графі-
ту (ТРГ) в циліндрі під толоком при стисненні і розвантаженні. При стис-
ненні відбувається прямий перколяційний перехід (ПП), і σ(ρ) зростає,
що зумовлено збільшенням числа контактів у суміші, потім знижується
внаслідок пружньої деформації ВНР. Структурна перебудова при стис-
ненні завершується при досягненні густини 0,35—0,55 г/см
3. При розван-
таженні провідність відновлюється до максимального значення внаслідок
пружніх властивостей ВНР, потім різко спадає (зворотній перколяційний
перехід). В суміші ВНР і ТРГ прямий ПП знижується (у порівнянні з ПП в
ВНР і ТРГ) приблизно в 2 рази до значень 0,05—0,06 г/см
3, що свідчить
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies
2009, т. 7, № 3, сс. 717—726
© 2009 ІМФ (Інститут металофізики
ім. Г. В. Курдюмова НАН України)
Надруковано в Україні.
Фотокопіювання дозволено
тільки відповідно до ліцензії
718 М. М. НИЩЕНКО, Г. Ю. МИХАЙЛОВА, Е. И. АРХИПОВ и др.
про розпушення структури. Поява гістерези між прямим і зворотнім ПП
викликана непружніми процесами при деформації.
Change in conductivity σ(ρ) of mixture of superelastic multiwall carbon nano-
tubes (MWCNT) and plastic thermoexpanded graphite (TEG) in cylinder with
piston is studied under compression and unloading. Direct percolation transi-
tion (PT) appears at compression, and σ(ρ) increases due to increase of elec-
tric-contacts number in mixture, then it decreases due to elastic deformation
of MWCNT. Restructuring under compression completes at density of 0.35—
0.55 g/cm3. During unloading, conductivity restores to maximum value due
to elastic properties of MWCNT, then it falls sharply (reverse percolation
transition). Within the MWCNT—TEG mixture, direct PT decreases twice (as
compared with PT in MWCNT and in TEG) to value of 0.05—0.06 g/cm3. This
testifies that structure loosens. Appear of hysteresis between direct and re-
verse transitions is caused by non-elastic processes during deformation.
Ключевые слова: углеродные нанотрубки, терморасширенный графит,
электропроводность, механическое сжатие.
(Получено 14 августа 2008 г.)
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время известно, что механическая деформация нанот-
рубки приводит к изменению её электронной структуры. Впервые
влияние структурных искажений на электрические и электронные
свойства однослойных нанотрубок, было установлено на основании
квантово-химических расчетов электронной структуры УНТ [1].
Они показали, что сопротивление УНТ возрастает с ростом угла из-
гиба. Прямой эксперимент [2] подтвердил зависимость проводимо-
сти однослойной УНТ от величины приложенной механической на-
грузки. При этом наблюдались как растущие, так и падающие за-
висимости сопротивления от нагрузки. Механизм обнаруженной
зависимости авторы объясняют эффектом изменения ширины за-
прещённой зоны при деформации. Сильная взаимосвязь структуры
(деформация, дефекты) и электронных свойств нанотрубок делает
их уникальным элементом наноэлектромеханических систем.
Совершенно иная ситуация может оказаться для массива УНТ
или материала, состоящего из нанотрубок. Например, электропро-
водность массива контактирующих нанотрубок в значительной
степени должна зависеть от общей площади контактов между со-
седними нанотрубками, контактного давления, наличия других фаз
и примесей. Действительно, гетерогенные (или многофазные) среды
повсеместно распространены в природе. Они значительно шире, чем
гомогенные или однородные среды, представлены в различных фи-
зических явлениях.
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ СМЕСИ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК И ГРАФИТА 719
Во многих областях техники созданию композиционных материа-
лов уделяется большое внимание, и сфера их приложений постоянно
расширяется. Сравнительно простой способ получения таких систем
состоит в механическом объединении нескольких компонентов, раз-
личающихся своими свойствами. Путём всевозможных сочетаний
составных элементов и видоизменением структурного построения
неоднородных систем можно создавать композиты с большим разно-
образием физико-механических характеристик, часто несвойствен-
ных каждому в отдельности взятому компоненту.
В работе изучено изменение электропроводности механической
смеси сверхупругих многослойных УНТ и пластичного терморас-
ширенного графита (ТРГ) [3], помещённых в замкнутый объём (ци-
линдр под поршнем), в процессе его сжатия и разгрузки, а также
выяснена возможность перколяционных фазовых переходов в изу-
чаемых системах.
2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Электропроводность ансамбля многослойных углеродных нанотру-
бок измерялась в цилиндре из диэлектрика. Последний заполнялся
нанотрубками, которые подвергались сжатию при опускании
поршня. Дно цилиндра и поршень служили электродами. После
достижения максимального сжатия (0,7—2,1 г/см
3) поршень посте-
пенно поднимали и одновременно измеряли электропроводность
упруго релаксируемого материала. Благодаря упругой релаксации
сохранялся электрический контакт исследуемого материала с элек-
тродами, что позволяло измерять электропроводность в процессе
разгрузки. Прекращение релаксационного расширения материала
приводило к размыканию электрической цепи и резкому увеличе-
нию электросопротивления между электродами (обратный перко-
ляционный переход), что фиксировалось на зависимости электро-
проводности от плотности материала σ(ρ).
Для определения степени относительной упругой деформации
ε = ΔL/L предварительно находили значение абсолютной упругой
деформации ΔL. Допускаем, что сжатие представляет собой про-
цесс, обратный растяжению, и абсолютная упругая деформация
может быть определена по величине упругой релаксации ΔL в про-
цессе разгрузки. За исходное состояние принимали длину столбика
L нанотрубок в цилиндре после релаксации (упругого возврата).
Образец 632c был получен методом химического осаждения из га-
зовой фазы (CVD) на катализаторе Al/Fe/Mo. Массовое содержание
сажи 0,8%.
Углеродные нанотрубки идентифицировались методом трансмис-
сионной электронной микроскопии (ТЕМ) (прибор ‘JEM-100CXII’,
Япония). Трубки очищались методом отжига на воздухе.
720 М. М. НИЩЕНКО, Г. Ю. МИХАЙЛОВА, Е. И. АРХИПОВ и др.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рисунках 1 и 2 приведены ТЕМ-изображение многослойных уг-
леродных нанотрубок и распределение нанотрубок по толщине сте-
нок. На рисунках 3—6 приведены зависимости в полулогарифмиче-
ском масштабе электропроводности механической смеси углерод-
ных нанотрубок и терморасширенного графита (УНТ + ТРГ) в раз-
ной пропорции от плотности, сжатой под поршнем смеси.
Электропроводность, сжимаемого в цилиндре под поршнем масси-
ва неориентированных многослойных углеродных нанотрубок, об-
наруживалась при плотности ρ = 0,13 г/см
3
(порог перколяции), за-
Рис. 1. ТЕМ-изображение многослойных углеродных нанотрубок (образец
632c).
0 2 4 6 8 10 12 14
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
N
d, íì
Рис. 2. Статистическое распределение нанотрубок по толщине стенок.
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ СМЕСИ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК И ГРАФИТА 721
тем она растёт, достигает максимума 8 Ом⋅см−1
при ρ = 0,5 г/см
3, по-
сле чего падает, а при ρ = 1,6 г/см
3
уменьшается по величине в два
раза.
Наблюдаемые эффекты объясняются действием двух конкури-
рующих механизмов: 1) увеличением общей площади «Ван дер Ва-
2
1,5
1
0,5
0
0,5
1
1,5
0 0,5 1 1,5
−
−
−
−
lg
σ,
Î
ì
−1
⋅ñ
ì
−1
ρ, ã/ñì3
Рис. 3. Зависимость логарифма электропроводности lgσ массива углерод-
ных нанотрубок (УНТ) от изменения его плотности ρ в процессе сжатия и
последующей разгрузки.
�
Рис. 4. Зависимость логарифма электропроводности lgσ терморасширен-
ного графита (ТРГ) от изменения плотности ρ в процессе сжатия, и после-
дующей разгрузки.
722 М. М. НИЩЕНКО, Г. Ю. МИХАЙЛОВА, Е. И. АРХИПОВ и др.
альсовых контактов» между внешними оболочками соседних УНТ,
приводящим к росту электропроводности; 2) упругой деформацией
УНТ, приводящей к снижению электропроводности.
При разгрузке наблюдается обратный ход поршня, а кривая σ(ρ)
повторяет ход кривой при сжатии на большом отрезке пути порш-
ня, при этом электропроводность восстанавливается до максималь-
ного значения, что свидетельствуете об упругой релаксации, пред-
варительно сжатого массива многослойных углеродных нанотру-
�
Рис. 5. Зависимость логарифма электропроводности lgσ механической
смеси ТРГ + 20,5% НТ от изменения её плотности ρ в процессе сжатия, и
последующей разгрузки.
1,5
1
0,5
0
0,5
1
0 0,2 0,4 0,6 0,8
−
−
−
ïðÿìîé õîä
îáðàòíûé õîä
lg
σ,
Î
ì
−1
⋅ñ
ì
−1
ñ, ã/ñì3
Рис. 6. Зависимость логарифма электропроводности lgσ механической
смеси ТРГ + 60% УНТ от изменения её плотности ρ в процессе сжатия, и
последующей разгрузки.
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ СМЕСИ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК И ГРАФИТА 723
бок. Дальнейший подъём поршня приводит к резкому падению
электропроводности (обратный перколяционный переход) из-за
уменьшения площади контакта нанотрубок с электродами. Появ-
ление гистерезиса между прямым и обратным перколяционным пе-
реходами вызвано неупругими процессами, связанными со смеще-
ниями нанотрубок при деформации.
Видно, что начальная плотность для смеси УНТ и ТРГ, достаточ-
ная для измерения электропроводности (перколяционный порог),
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0 20 40 60 80 100 120
(ρ
m
ax
−
ρ
ð
åë
àê
ñ)
/ρ
m
ax
% HT
Рис. 7. Зависимость изменения предела упругости механический смеси
УНТ и ТРГ ε = ΔL/L (где L – длина столбика УНТ в цилиндре после упру-
гого возврата, а ΔL – величина упругого возврата) от весовой концентра-
ции УНТ.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
0 50 100 150
R2 = 0,9337
% HT
X
ð
åë
/X
m
in
Рис. 8. Зависимость изменения относительного удлинения сжатой меха-
нической смеси УНТ и ТРГ K = L/(1 − L) (где L – длина столбика УНТ в
цилиндре после упругого возврата, а ΔL – величина упругого возврата) от
весовой концентрации УНТ.
724 М. М. НИЩЕНКО, Г. Ю. МИХАЙЛОВА, Е. И. АРХИПОВ и др.
составляла 0,05—0,06, что примерно в 2 раза ниже, чем для чистых
исходных компонентов (УНТ и ТРГ – 0,133 г/см
3
и 0,124 г/см
3
соот-
ветственно). Для всех составов электропроводность при сжатии под
поршнем вначале растет, достигает максимального значения, в диа-
пазоне 3—8 Ом⋅см−1, при плотности 0,15—0,5 г/см
3. Дальнейшее сжа-
тие до плотности 0,7—2,1 г/см
3
приводит к уменьшению электропро-
водности: сильному при малых концентрациях УНТ и слабому при
концентрациях более 40% УНТ.
Снижение перколяционного перехода может быть обусловлено
более рыхлой упаковкой нанотрубок в смеси с ТРГ, чем в случае
только УНТ. Рыхлая упаковка является одновременно довольно
жёсткой, сохраняется при максимальных степенях сжатия. Поэто-
му она не позволяет достичь высоких плотностей сжатия смеси в
данных условиях эксперимента Снижение максимального значе-
ния электропроводности смеси УНТ и ТРГ может быть связано с
ориентацией ТРГ или с появлением на границе УНТ—ТРГ потенци-
ального барьера.
Упругая релаксация смеси УНТ и ТРГ при обратном ходе поршня
и разгрузке также определяется наличием рыхлой, но прочной к
деформации структуры.
0,1
0,1
0,3
0,5
0,7
0,9
1,1
1,3
1,5
1,7
0 20 40 60 80 100−
ρ
max
% HT
ρ
min
c
rel
Рис. 9. Зависимость изменения перколяционного порога (нижняя кри-
вая), релаксационного порога (верхняя кривая) сжатой смеси ТРГ и
УНТ от весовой концентрации УНТ.
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ СМЕСИ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК И ГРАФИТА 725
На рисунках 7 и 8 приведены зависимости изменения предела
упругости и относительного удлинения сжатой механической смеси
УНТ и ТРГ от весовой концентрации УНТ. Видно, что в обоих слу-
чаях наблюдаются монотонные зависимости.
Механическая смесь УНТ и ТРГ не всегда давала промежуточные
значения по сравнению с исходными компонентами. Обсудим этот
вопрос подробнее. Определяющим в поведении смеси ТРГ и УНТ яв-
ляется тот факт, что упругая релаксация в УНТ на порядок больше,
чем в ТРГ. Важный фактор, который следует принять во внимание,
рассматривая формы поперечных сечений нанотрубок – это наличие
деформирующей силы, возникающей вследствие контактов между
соседними трубками. Этот эффект обсуждался в [4], где было показа-
но, что в области контакта нанотрубки сплющиваются. Это было под-
тверждено расчётами в модели Леннард-Джонса для взаимодействия
Ван дер Ваальса. Руофф и коллеги также обнаружили, что межслое-
вое расстояние нанотрубки со стороны, соседней к области контакта,
уменьшилось на 0,008 нм по сравнению с внешней стороной.
4. ВЫВОДЫ
1. При сжатии в цилиндре под поршнем массива неориентированных
многослойных углеродных нанотрубок наблюдаются изменения
электропроводности, которые объясняются действием двух конку-
рирующих механизмов: 1) увеличением общей площади «Ван дер
Ваальсовых контактов» между внешними оболочками соседних
УНТ, приводящим к росту электропроводности; 2) упругой дефор-
мацией УНТ, приводящей к снижению электропроводности.
2. При разгрузке наблюдается обратный ход поршня, а кривая σ(ρ)
повторяет ход кривой при сжатии на большом отрезке пути порш-
ня, при этом электропроводность восстанавливается до максималь-
ного значения, что свидетельствуете об упругой релаксации, пред-
варительно сжатого массива многослойных углеродных нанотру-
бок, при увеличении занимаемого ними объёма. Дальнейший подъ-
ём поршня приводит к резкому падению электропроводности (об-
ратный перколяционный переход) вследствие уменьшения площа-
ди контакта нанотрубок с электродами. Появление гистерезиса ме-
жду прямым и обратным перколяционным переходами вызвано не-
упругими процессами, связанными со смещениями нанотрубок при
деформации и их упаковкой.
3. При добавлении УНТ в терморасширенный графит предел упру-
гости, и абсолютное значение упругой релаксации плавно повыша-
ется на порядок.
4. Ширина гистерезиса (между прямым и обратным переходами)
для смеси УНТ с ТРГ находится в пределах 0,3—0,55 г/см
3, в то вре-
мя как для ТРГ ширина достигает больших значений (1,58 г/см
3).
726 М. М. НИЩЕНКО, Г. Ю. МИХАЙЛОВА, Е. И. АРХИПОВ и др.
5. Прямой перколяционный переход для механической смеси тер-
морасширенного графита многослойных углеродных нанотрубок с
концентрацией 20—60% снижается более чем два раза по плотности
(от 0,13 до 0,05—0,06 г/см
3), что свидетельствует о разрыхлении
структуры в смеси, при этом обратный перколяционный переход с
точностью до 10% сохраняется таким же, как и для УНТ (0,43
г/см3), что указывает на то, что упругие свойства смеси определя-
ются нанотрубками, и что структурная перестройка при сжатии за-
вершается при достижении плотности 0,35—0,5 г/см
3.
Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках про-
граммы «Наноструктурные системы, наноматериалы, нанотехно-
логии» (проект № 33/08-Н).
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. A. Rochefort et al., Phys. Rev. B, 60: 13824 (1999).
2. R. J. Grow, Appl. Phys. Lett., 86: 093104 (2005)
3. И. Г. Черныш, И. И. Карпов, Г. П. Приходько и др., Физико-химические
свойства графита и его соединений (Киев: Наукова думка: 1990).
4. R. S. Ruoff et al., Nature, 364: 514 (1993).
|