Електроопір шаруватого композиційного матеріялу фторопласт—вуглецеві нанотрубки
Виявлено, що електричний струм у фторопластовій матриці композиції провідник—діелектрик проходить у локальних місцях. Ці місця умовно названо треками. Показано, що залежність питомого електроопору від частоти струму для композиції має дещо інший характер, ніж для однорідного діелектрика. Доведено...
Saved in:
| Date: | 2008 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
2008
|
| Series: | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87838 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Електроопір шаруватого композиційного матеріялу фторопласт—вуглецеві нанотрубки / А.А. Беженар, В.С. Копань, Н.І. Півень // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 1. — С. 25-31. — Бібліогр.: 9 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-87838 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-878382025-02-09T15:49:18Z Електроопір шаруватого композиційного матеріялу фторопласт—вуглецеві нанотрубки Electrical Resistance of Layered Composite Material Teflon–Carbon Nanotubes Беженар, А.А. Копань, В.С. Півень, Н.І. Виявлено, що електричний струм у фторопластовій матриці композиції провідник—діелектрик проходить у локальних місцях. Ці місця умовно названо треками. Показано, що залежність питомого електроопору від частоти струму для композиції має дещо інший характер, ніж для однорідного діелектрика. Доведено, що в явищі пропускання змінного електроструму композицію можна розглядати як сукупність мікроконденсаторів. As determined, the electric current in a fluoroplastic matrix of conductor— insulator composition flows in local regions. These regions are named for convenience as tracks. As shown, the dependence of resistivity on frequency of electrical current for composition has a different character than that for homogeneous insulator. As proved, in the phenomenon of transmission of alternating electrical current, the composition can be considered as a set of microcapacitors. Определено, что электрический ток во фторопластовой матрице композиции проводник—диэлектрик проходит в локальных местах. Эти места условно названы треками. Показано, что зависимость удельного электросопротивления от частоты тока для композиции имеет другой характер, чем для однородного диэлектрика. Доказано, что в явлении пропускания переменного электротока композицию можно рассматривать как множество микроконденсаторов. 2008 Article Електроопір шаруватого композиційного матеріялу фторопласт—вуглецеві нанотрубки / А.А. Беженар, В.С. Копань, Н.І. Півень // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 1. — С. 25-31. — Бібліогр.: 9 назв. — укр. 1816-5230 PACS numbers :72.80.Le,72.80.Rj,72.80.Tm,73.61.Wp,81.05.Qk,81.05.Tp,81.40.Rs https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87838 uk Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології application/pdf Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| description |
Виявлено, що електричний струм у фторопластовій матриці композиції
провідник—діелектрик проходить у локальних місцях. Ці місця умовно
названо треками. Показано, що залежність питомого електроопору від
частоти струму для композиції має дещо інший характер, ніж для однорідного діелектрика. Доведено, що в явищі пропускання змінного електроструму композицію можна розглядати як сукупність мікроконденсаторів. |
| format |
Article |
| author |
Беженар, А.А. Копань, В.С. Півень, Н.І. |
| spellingShingle |
Беженар, А.А. Копань, В.С. Півень, Н.І. Електроопір шаруватого композиційного матеріялу фторопласт—вуглецеві нанотрубки Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
| author_facet |
Беженар, А.А. Копань, В.С. Півень, Н.І. |
| author_sort |
Беженар, А.А. |
| title |
Електроопір шаруватого композиційного матеріялу фторопласт—вуглецеві нанотрубки |
| title_short |
Електроопір шаруватого композиційного матеріялу фторопласт—вуглецеві нанотрубки |
| title_full |
Електроопір шаруватого композиційного матеріялу фторопласт—вуглецеві нанотрубки |
| title_fullStr |
Електроопір шаруватого композиційного матеріялу фторопласт—вуглецеві нанотрубки |
| title_full_unstemmed |
Електроопір шаруватого композиційного матеріялу фторопласт—вуглецеві нанотрубки |
| title_sort |
електроопір шаруватого композиційного матеріялу фторопласт—вуглецеві нанотрубки |
| publisher |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| publishDate |
2008 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87838 |
| citation_txt |
Електроопір шаруватого композиційного матеріялу
фторопласт—вуглецеві нанотрубки / А.А. Беженар, В.С. Копань, Н.І. Півень // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 1. — С. 25-31. — Бібліогр.: 9 назв. — укр. |
| series |
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
| work_keys_str_mv |
AT beženaraa elektroopíršaruvatogokompozicíjnogomateríâluftoroplastvuglecevínanotrubki AT kopanʹvs elektroopíršaruvatogokompozicíjnogomateríâluftoroplastvuglecevínanotrubki AT pívenʹní elektroopíršaruvatogokompozicíjnogomateríâluftoroplastvuglecevínanotrubki AT beženaraa electricalresistanceoflayeredcompositematerialtefloncarbonnanotubes AT kopanʹvs electricalresistanceoflayeredcompositematerialtefloncarbonnanotubes AT pívenʹní electricalresistanceoflayeredcompositematerialtefloncarbonnanotubes |
| first_indexed |
2025-11-27T16:41:03Z |
| last_indexed |
2025-11-27T16:41:03Z |
| _version_ |
1849962441094463488 |
| fulltext |
25
PACS numbers: 72.80.Le, 72.80.Rj, 72.80.Tm, 73.61.Wp, 81.05.Qk, 81.05.Tp, 81.40.Rs
Електроопір шаруватого композиційного матеріялу
фторопласт—вуглецеві нанотрубки
А. А. Беженар, В. С. Копань, Н. І. Півень
Київський національний університет імені Тараса Шевченка,
просп. Акад. Глушкова, 2,
03127 Київ, Україна
Виявлено, що електричний струм у фторопластовій матриці композиції
провідник—діелектрик проходить у локальних місцях. Ці місця умовно
названо треками. Показано, що залежність питомого електроопору від
частоти струму для композиції має дещо інший характер, ніж для однорі-
дного діелектрика. Доведено, що в явищі пропускання змінного електро-
струму композицію можна розглядати як сукупність мікроконденсаторів.
As determined, the electric current in a fluoroplastic matrix of conductor—
insulator composition flows in local regions. These regions are named for con-
venience as tracks. As shown, the dependence of resistivity on frequency of elec-
trical current for composition has a different character than that for homogene-
ous insulator. As proved, in the phenomenon of transmission of alternating elec-
trical current, the composition can be considered as a set of microcapacitors.
Определено, что электрический ток во фторопластовой матрице компози-
ции проводник—диэлектрик проходит в локальных местах. Эти места ус-
ловно названы треками. Показано, что зависимость удельного электросо-
противления от частоты тока для композиции имеет другой характер, чем
для однородного диэлектрика. Доказано, что в явлении пропускания пе-
ременного электротока композицию можно рассматривать как множество
микроконденсаторов.
Ключові слова: композиційний матеріял, фторопласт, нанотрубки, еле-
ктричний опір.
(Отримано 25 червня 2007 р.)
1. ВСТУП
Композиційні матеріяли (КМ) на основі діелектричної матриці і еле-
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies
2008, т. 6, № 1, сс. 25—31
© 2008 ІМФ (Інститут металофізики
ім. Г. В. Курдюмова НАН України)
Надруковано в Україні.
Фотокопіювання дозволено
тільки відповідно до ліцензії
26 А. А. БЕЖЕНАР, В. С. КОПАНЬ, Н. І. ПІВЕНЬ
ктропровідного наповнювача широко використовуються в радіотех-
ніці, електротехніці, автоматиці, авіації тощо. Додавання невеликої
кількості (декілька ваг.%) наповнювачів має великий вплив на фі-
зичні, хімічні, механічні та електричні властивості полімерів [1]. В
якості наповнювача для КМ використовують різноманітні матеріяли
[2], наприклад металеві порошки [3, 4], чи терморозширений графіт
(ТРГ) [5, 6]. В ролі діелектричної матриці використовують полімети-
лметакрилат [7, 8], фторопласт [5], оксиди, нітриди тощо.
Метою роботи було виготовлення шаруватого композиційного
матеріялу (ШКМ) фторопласт—вуглецеві нанотрубки, дослідження
електроопору діелектричного шару, наповнювача та самої компо-
зиції.
Вибір фторопласту (ФП) та вуглецевих нанотрубок (ВНТ) для ви-
готовлення КМ обумовлений їхньою хімічною інертністю в багатьох
середовищах. Наявність у фторопласті значної кількості зв’язаного
фтору надає йому цінні технічні властивості. Наприклад, ФП-4 має
найбільш високі діелектричні властивості з усіх відомих діелектри-
чних матеріялів [9].
ШКМ фторопласт—нанотрубки забезпечує чистий перколяційний
режим роботи композиції.
В області перколяції чутливість цих матеріялів до зовнішніх дій
(тиск, напруженість поля тощо) є найбільшою. Тому ці матеріяли є
перспективними для виготовлення чутливих елементів автоматики.
2. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ
Вивчались фторопластові плівки товщиною d = 25 мкм. Питомий
електроопір зразків ρ вимірювали в напрямку, перпендикулярному
до поверхні, спочатку на постійному струмі, потім – на змінному.
ШКМ на основі ФП і ВНТ (діаметром 52,8 нм та довжиною 10—20
мкм) був виготовлений шляхом пресування пакету фторопластових
плівок, на поверхню яких заздалегідь були нанесені вуглецеві нано-
трубки. Товщина шарів ВНТ складала 5—10 мкм. Електроопір вимі-
рювали з похибкою 2—3% в діапазоні напруженостей 50—250 кВ/см.
На рисунку 1 наведено залежність питомого електроопору фто-
ропластової плівки від напруженості електричного поля.
Видно, що питомий електроопір ρ ≅ 5⋅1012
Ом⋅см при Е ≅ 115
кВ/см, монотонно зростає і виходить на максимум ρ ≅ 5⋅1013
Ом⋅см
при Е ≅ 240 кВ/см, а потім різко зменшується.
При Е ∼ 200 кВ/см струм проходить через певні області діелектри-
ка (рис. 2). Назвемо їх треками по аналогії з треками в явищі прохо-
дження струму через газ. Величину струму І вимірювали за допомо-
гою металевого голкового електроду, вістря якого мало сферичну
форму з радіусом кривини r ∼ 0,1 мм. Для цього плівку рухали на
столику мікроскопа в напрямку довільно вибраної вісі з точністю
ЕЛЕКТРООПІР МАТЕРІЯЛУ ФТОРОПЛАСТ—ВУГЛЕЦЕВІ НАНОТРУБКИ 27
∆х ∼ 5 мкм. Сила притискання вістря задавалась стрілою прогину
електроду і була такою, що вістря не залишало сліду на поверхні плі-
вки. Бачимо (рис. 2), що області плівки умовно можна розділити на
такі, що погано проводять електрострум, і такі, що добре. Останні і
названі треками.
Результати (рис. 1 і 2) вказують на те, що в великих електричних
полях у локальних областях діелектрика електричний струм прохо-
дить по треках, які мають рухливі носії заряду. Кількість треків зме-
ншується з часом проходження струму, ρ збільшується до тих пір,
поки не відбудеться пробій. Можна припустити, що при проходженні
Рис. 1. Залежність питомого електроопору ρ фторопластової плівки від
напруженості електричного поля Е.
Рис. 2. Залежність струму I, що проходить через фторопластову плівку пе-
рпендикулярно її поверхні, від координати х на поверхні.Е ∼ 200 кВ/см.
28 А. А. БЕЖЕНАР, В. С. КОПАНЬ, Н. І. ПІВЕНЬ
струму треки і області навколо них розігріваються так, що діелект-
рик самолікується, якщо Е не досягає пробійної величини Еп. Тому
електроопір наростає зі збільшенням Е (рис. 1). Коли Е ≥ Еп, площа
якогось критичного треку збільшується, здійснюється лавиноподібне
наростання струму, відбувається пробій.
Середня густина електричного струму на максимумі (рис. 1) стано-
Рис. 3. Залежність питомого електроопору ρ різних зразків від напружено-
сті електричного поля Е постійного струму: 1 – дві плівки ФП; 2 – дві
деформовані плівки ФП; 3 – дві плівки ФП з ВНТ; 4 – дві плівки ФП з
мідною фольгою; 5 – дві деформовані плівки ФП з мідною фольгою.
Рис. 4. Залежність логарифму питомого електроопору (ρ в Ом⋅см) фторопла-
сту від логарифму частоти: 1 – одна фторопластова плівка (Е = 12 кВ/см); 2
– дві фторопластові плівки (Е = 6 кВ/см).
ЕЛЕКТРООПІР МАТЕРІЯЛУ ФТОРОПЛАСТ—ВУГЛЕЦЕВІ НАНОТРУБКИ 29
вить 20⋅10−9
А/см2. Така густина електричного струму вказує на гус-
тину треків 160000 см
−2. З рисунку 2 визначили середній струм, що
проходить через один трек I = 8,3⋅10−10
А. Тоді електроопір одного
трека буде ∼ 600⋅109
Ом.
На рисунку 3 наведено залежність питомого електроопору від на-
пруженості електричного поля для різних зразків. Як видно з рис. 3
питомий електроопір двох шарів фторопластової плівки є найбіль-
шим. Коли ці плівки були продеформовані (проколото 100 дірок діа-
метром ∼ 100 мкм на 1 см
2), питомий електроопір дещо зменшився.
Це можна пояснити тим, що дірки у фторопластовій плівці слугують
треками по яких іде струм. Якщо між шарами фторопласту є мідні
фольги, то питомий електроопір є найменшим. Оскільки струм іде по
треках, то задіяні усі треки, так як мідна фольга їх усіх з’єднує. Пи-
томий електроопір КМ з вуглецевими нанотрубками має середнє зна-
чення, оскільки не всі треки будуть задіяні, але менший, ніж у випа-
дку простого накладання двох фторопластових плівок.
Фторопластові зразки досліджувались також на змінному струмі. На
рисунку 4 наведено залежність питомого електроопору від частоти lgρ—
lgν для одного та двох шарів фторопласту в логарифмічних шкалах.
Лінії на рис. 4 розраховано за формулою:
⎛ ⎞
ρ = = + ⎜ ⎟ε εω ⎝ ⎠
2
2 2
0 2
0
1S S nd
R n R
d d S
, (1)
а точки одержано експериментально. В (1) S – площа однієї повер-
хні плівки фторопласту (S = 12,25⋅10−4
м
2); d – товщина; n – кіль-
кість шарів в пакеті; R0 – омічний опір одного шару (R0 = 3,3⋅108
Ом);
ε0 = 8,854⋅10−12
Ф/м; ω = 2πν; ε ≈ 2 – діелектрична проникність фто-
ропласту.
Формулу (1) одержано з закону Ома для змінного струму в при-
пущенні, що шаруватий зразок являє собою сукупність послідовно
з’єднаних конденсаторів. При цьому вважається, що обкладинкою
одного конденсатора є поверхня діелектрика, або більш електро-
провідний прошарок з ВНТ чи ТРГ.
Експериментальні точки добре повторюють розраховану криву. Це
засвідчує правильність розгляду ШКМ як сукупності конденсаторів.
Залежності ρ—lgν для шару вуглецевих нанотрубок та графіту рі-
зної товщини наведені на рис. 5, a, б.
Для порівняння були одержані залежності ρ—lgν для діелектри-
ків, а саме для поролону та сухого повітря (рис. 5, c, d).
Характер кривих ρ—lgν для шару ВНТ та ТРГ відрізняється якіс-
но і кількісно від цієї ж залежності для діелектриків, таких як по-
вітря чи поролон. Тому можна припустити, що на питомий елект-
роопір шару ВНТ та ТРГ впливають явища, що виникають між час-
тинками графітового порошку чи вуглецевими нанотрубками, зу-
30 А. А. БЕЖЕНАР, В. С. КОПАНЬ, Н. І. ПІВЕНЬ
мовлені частотою. Наприклад, між частинками графітового поро-
шку чи вуглецевими нанотрубками є пустоти, і порошок можна ро-
зглядати як сукупність мікроконденсаторів.
В шаруватому деформованому КМ ФП—ВНТ питомий електро-
опір ρ на 2—3 порядки менший ніж ρ фторопластового зразка (рис.
6). Питомий опір зменшується із збільшенням напруженості Е.
Проходження струму супроводжується ґенерацією електромагнет-
них шумів. Зразок являє собою систему послідовно з’єднаних кон-
денсаторів і має індуктивність, тобто являє собою систему мікро-
скопічних коливальних контурів.
Наявність шумів свідчить про те, що в мікрооб’ємах КМ при Е < Еп
струм протікає нереґулярно.
При напруженостях понад 120 кВ/см треки, напевно, зникають
внаслідок прогрівання і розтоплення електричним струмом. Крім
того, зазори між нанотрубками можуть заповнюватись фтороплас-
том. Тому питомий електроопір ρ зростає (рис. 6).
а б
в г
Рис. 5. Залежність питомого електроопору ρ від логарифму частоти для: a
– шару ВНТ; б – шару ТРГ; в – поролону; г – сухого повітря. В рамці –
товщини шарів.
ЕЛЕКТРООПІР МАТЕРІЯЛУ ФТОРОПЛАСТ—ВУГЛЕЦЕВІ НАНОТРУБКИ 31
3. ВИСНОВКИ
1. Електрострум в фторопластовій матриці виникає в локальних міс-
цях, умовно названих треками. В треках може бути порушення σ-
зв’язку, внаслідок чого електрони розпарюються і стають рухливими.
2. При збільшенні напруженості електричного поля до 250 кВ/см
відбувається пробій фторопласту.
Систему вуглецевих нанотрубок, графітового порошку та ШКМ
на їх основі можна розглядати як сукупність мікроконденсаторів.
ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
1. В. Е. Гуль, Л. З. Шенфиль, Электропроводящие полимерные композиции
(Москва: Химия: 1984).
2. Наполнители для полимерных композиционных материалов (Ред. Г. С. Кац,
Д. В. Милевски) (Москва: Химия: 1981).
3. S. P. Gubin, Colloids and Surfaces. A: Physicochemical and Engineering As-
pects, 202: 155 (2002).
4. A. Malliaris and D. T. Turner, J. of Applied Physics, 42, No. 2: 614 (1971).
5. Д. Ю. Караман, Автореферат канд. дисертації (Київ: Київський націона-
льний університет імені Тараса Шевченка: 2006).
6. Л. Ю. Мацуй, Автореферат доктор. дисертації (Київ: Київський націона-
льний університет імені Тараса Шевченка: 2005).
7. Z. Jia, Z. Wang, C. Xu, J. Liang, B. Wei, D. Wu et al., Mater. Sci. Eng. A, 271:
400 (1999).
8. A. J. Guillermo and C. J. Sadhan, Science Direct. Part A, 38: 983 (2007).
9. Ю. А. Паншин, С. Г. Малкевич, Ц. С. Дунаевская, Фторопласты (Ленин-
град: Химия: 1978).
Рис. 6. Залежність питомого електроопору ρ деформованого КМ фтороп-
ласт—вуглецеві нанотрубки від напруженості електричного поля Е по-
стійного струму.
|