XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

ВВЕДЕНИЕ

В настоящие время стали часто применяться композиционные материалы. Они представляют собой многокомпонентный материал, изготовленный из двух или более компонентов с существенно различными свойствами. Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, жгутами или тканями на их основе; алюминий, армированный нитями стали, бериллия. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими и д.р.

Для рационального использования полимеров в качестве полупроводников, диэлектриков или электропроводящих материалов необходимое глубокое понимание и знание их электрических свойств, закономерностей изменений этих свойств варьирования строения полимеров и условий эксплуатации.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Электропроводящие композиционные материалы

На сегодняшний день в различных сферах электроники, радиотехнике, авиастроении и других областях техники существует потребность в полимерах, проводящих электричество, но большинство полимеров являются диэлектрическими материалами с удельным объемным сопротивлением ρ_v от 10¹¹ до 10¹⁷ Ом⸱м. Однако на их основе можно изготовить электропроводящие композиции за счет введения различных наполнителей, например, графита, технического углерода, графитовых волокон или металлов. При использовании в качестве наполнителей углеродосодержащих материалов были получены КПМ с удельным сопротивлением 10^–3 Ом⸱м, а при использовании металлических наполнителей до 10^-6 Ом⸱м.

Электрическое сопротивление (объемное сопротивление) является фундаментальным свойством материала, которое измеряет, насколько сильно он сопротивляется электрическому току. Его обратная величина, называемая электропроводностью, количественно определяет, насколько хорошо материал проводит электричество.

Показано существование взаимосвязи электрических свойств и структуры полимерных композиций, полученных совмещением полимерных матриц и мелкодисперсного кокса и бинарного наполнителей [6]. Установлено, что в процессе прессования происходит усиление адгезионного взаимодействия на границе полимер – наполнитель, что привод к увеличению числа контактов. В результате этого происходит трансформация структуры исходных полимерных матриц в разнообразные по форме и размерам надмолекулярные образования. Размеры и их геометрическая форма зависят от концентрации компонентов наполнителей.

В сравнение с ними, однокомпонентные материалы, приготовленные только из электропроводящего полимера, демонстрируют плохие механические характеристики - низкую прочность и эластичность. Это существенно затрудняет их исследование и практическое применение. Одним из возможных путей решения этой проблемы является разработка методов получения композиционных систем, состоящих из эластичной подложки, обеспечивающей механические свойства композита, и проводящего полимера, действующего как активный компонент. В качестве подложек применяют различные гибкоцепные полимеры, такие как поливинилиденфторид или полипропилен. Однако, низкая адгезия покрытий к этим полимерам существенно затрудняет их использование для получения композиционных систем. Выходом из этой ситуации может стать применение пористых материалов, большая площадь поверхности которых обеспечит лучший контакт с покрытием.

Для успешного применения полимеров в большинстве областей техники необходимы материалы, обладающие высокой электропроводностью. Величина электропроводности полимера, прежде всего, определяется его химическим строением, особенности которого закладываются при проведении полимеризации.

Факторы, влияющие на электропроводность композитов.

Электропроводность - способность тела проводить электрический ток, свойство тела или среды, определяющее возникновение в них электрического тока под воздействием электрического поля.

Электропроводность зависит:

от типа наполнителя и его концентрации;

от формы частиц, их способности к структурированию и физико-химического состояния поверхности;

от типа полимера и его физического состояния;

от способа и технологических параметров изготовления и переработки материала;

от внешних факторов — частоты электромагнитного поля, температуры, давления, воздействия электрического и магнитного полей при изготовлении композита. [9]

Однако ввиду многообразия исследуемых систем и условий формирования ЭПК затруднено проведение сопоставительного анализа опубликованных в литературе результатов. Для понимания зависимости электропроводности от указанных выше факторов представляется целесообразным выделение следующих трех групп первичных характеристик композиционных материалов.

1. Распределение частиц наполнителя в объеме композита, их ориентация.

2. Контактное сопротивление между частицами наполнителя.

3. Форма и размер частиц наполнителя, его содержание в материале и собственная электропроводность.

Указанные характеристики оказывают различное влияние на электрические свойства ЭПК. Одним из самых существенных параметров, определяющих основные свойства КМ, является степень наполнения.

Основной трудностью при получении проводящих композиций на основе полимеров является неравномерность распределения проводящих наполнителей по объему полимерной матрицы,поэтому такие материалы относятся к типичным неупорядоченным системам. Расположение наполнителей в полимерной матрице и характер проводимости определяются, прежде всего, долей частиц, участвующих в прохождении тока, контактного сопротивления между фазами, и числа контактов в проводящей цепочке.

В низконаполненных электропроводящих композитных материалах велико число возможных способов распределения наполнителя и поэтому при изменениях технологии формования получают ЭПК с различной структурой. По характеру распределения частиц наполнителя в полимерной матрице композиты можно, разделить на матричные, статистические и структурированные. На рисунке 1 изображены типичные структуры композитов и распределение наполнителя в матрице.

Рисунок 1- Типичные структуры композитов и распределение наполнителя в матрице.

Чаще всего к матричным относят КМ, частицы наполнителя в которых располагаются в узлах регулярной решетки (а), то есть одна фаза является сплошной при любой концентрации., а к статистическим — те, в которых наполнитель распределен хаотично и при этом не образует регулярную структуру (б). К структурированным относят композиты, в которых наполнитель образует цепочечные, плоские или объемные структуры (в, г).

Электрические свойства композитов с высоким содержанием наполнителя в большей степени определяются контактным сопротивлением между частицами наполнителя, чем их распределением.

Число контактов уменьшается с ростом размера частиц, что приводит к увеличению объемного сопротивления, при этом теоретические расчеты показывают, что объемное сопротивление не зависит от размера частиц. Расположение частиц наполнителя в виде цепочек, ориентированных параллельно направлению электрического тока, является самым эффективным, поскольку большая часть частиц участвует в прохождении тока через КПМ. Существует некоторое пороговое значение содержания проводящих частиц в полимерной матрице, называемое порогом перколяции.

Перколяция – (от латинского слова просачиваться, протекать) называется явление протекания или непротекания жидкостей через пористые материалы.Порог перколяции - это критическое значение вероятности заполнения, при котором начинается резкое увеличение значения проводимости, с образованием объемной проводящей сетки, состоящей из множества цепочек контактирующих между собой частиц наполнителя. Теория перколяции – теория, которая объясняет явление электропроводности в полимерных композиционных материалах.

Явления, описываемые теорией протекания, относятся к так называемым «критическим явлениям». Эти явления характеризуются «критической точкой», в которой определенные свойства резко меняются. В нашем случае электрическое сопротивление при некотором значении концентрации наполнителя в матрице начинает быстро уменьшаться или расти проводимость. Считается, что частицы наполнителя образуют в матрице бесконечно проводящие цепочки – кластеры.

Механизм проводимости электропроводящих полимерных материалов зависит от «контактной проводимости», когда носители заряда сосредоточены на частицах наполнителя и перенос заряда возможен лишь при непосредственном контакте частиц, и от того, каким образом частицы наполнителя ориентированы друг относительно друга в композиции, а также от энергии когезионного взаимодействия между полимерной и проводящей фазами. Другим случаем проводимости является перенос заряда через диэлектрические прослойки, когда носители заряда перемещаются в каждой из фаз и через границу между фазами. На практике наблюдаются оба типа проводимости.[4]

Однако в литературе практически отсутствую данные о величинах контактных сопротивлений в реальных электропроводящих полимерных композитах. Такое положение связано с большими трудностями, возникающими при попытке экспериментального определения сопротивления.

Но благодаря использованию коэффициента реализации электропроводности наполнителя удается оценить сопротивление, в углепластиках на основе гидратцеллюлозных углеродных волокон с различными температурами термообработки и фенолформальдегидного связующего.

Для получения материала с удельным объемным электрическим сопротивлением 10^–1 Омсм в полиметилметакрилат, например, необходимо

ввести от 60 до 90 % порошка никеля со средним размером частиц 10 мкм, а с удельным объемным электрическим сопротивлением 10^–6 Омсм – до 75 % порошка серебра. Очевидно, что при высоких степенях наполнения значительно изменяются физико-механические свойства материала. Поверхностная химическая обработка металлических порошков, увеличивающая сродство наполнителя к полимерной матрице, позволяет уменьшить критическую степень наполнения. При этом происходит более равномерное распределение наполнителя в объеме образца, и образуется бесконечный электропроводящий кластер при более низких степенях наполнения [5].

В наполненных металлическими порошками клеях на основе термореактивных смол с высокой степенью наполнителя, протекание тока осуществляется за счет непосредственных контактов между проводящими частицами. Эти расчеты основаны на представлениях классической теории контактов и предположении, что при усадке связующего частицы наполнителя притягиваются друг к другу, выталкивая связующее из зазора между ними до образования непосредственного контакта. При усадке связующего между частицами возникают напряжения, достаточные для разрушения оксидных пленок, в результате чего появляется возможность изготавливать проводящие клеи даже на основе дисперсий неблагородных металлов (никель, медь).

Ученые уделяют основное внимание форме частиц наполнителя. То есть, значительная протяженность электропроводящих участков, обусловленная геометрией частиц, повышает вероятность создания надежных контактов и способствует образованию электропроводящего кластера при сравнительно небольших степенях наполнения. Для снижения критической степени наполненияиспользуются наполнители с частицами удлиненной или плоской формы.

Пример электропроводящих материалов

Широкое применение нашли полимерные композиционные материалы, наполненные углеродными нанотрубками (УНТ). Необычные электрические свойства нанотрубок позволяют увеличить электропроводность композиционных материалов на несколько порядков при добавлении 0,01 вес. % углеродных нанотрубок. Кроме того, применение УНТ в уже существующих электропроводящих полимерных композициях (ЭПК), наполненных техническим углеродом (ТУ), позволяет снизить критический уровень технического углерода в электропроводящих композициях при соблюдении необходимого уровня проводимости композиций. Применение углеродных нанотрубок в качестве наполнителя для теплоотводящих элементов конструкций позволяет значительно повысить коэффициенты тепло- и температуропроводности разрабатываемых композиций.[4]

По своей природе углеродные нанотрубки в несколько раз прочнее стали, и это приводит к улучшению механических свойств композиционных материалов с добавлением углеродных нанотрубок. В связи с тем, что уровень содержания нанотрубок в полимерной матрице низкий, они не оказывают существенного влияния на удельный вес композиций.

Свойства композиций существенно изменяются в зависимости от чистоты, дефектности, размерности (длины и диаметра), содержания углеродных нанотрубок в композите, дисперсного состояния и равномерности распределения их в полимерной матрице. Все вышеперечисленные достоинства позволяют быть одним из основных наполнителей при создании электропроводящих композиционных материалов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Электропроводящие полимеры в виде композитов могут сочетать относительно хорошие структурно-механические свойства (гибкость, прочность, приемлемая эластичность и т.д.) с высокой электропроводностью.

Благодаря этому электропроводящие композиционные материалы на основе полимеров могут быть легкими и прочными токопроводящими элементами. Они могут быть использованы как антистатические покрытия и материалы, поглощающие электромагнитное излучение в различных диапазонах длин волн. Благодаря их электрохимическим и ионообменным свойствам они могут использоваться в качестве электродов аккумуляторов. Способность полипиррола и полианилина изменять объем под действием электрического потенциала делает их перспективными материалами для создания искусственных мышц. Также композиционные материалы используются для создания компонентов электронной техники. Также проводящие полимеры являются перспективными материалами для получения антикоррозионных покрытий металлических изделий [5].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Ал. Берлин. Принципы создания композиционных полимерных материалов /Ал. Берлин, С.А. Вольфсон, В.Г. Ошмян, Н.С. Ениколопов – М.: Химия, 1990 – 240 с.

В.А. Марков.Электропроводящие полимерные композиты с повышенным положительным температурным коэффициентом электрического сопротивления для саморегулирующихся нагревателей [Текст]: Дисс. / по ВАК РФ 05.17.06, 2014 г.

Электропроводящие полимеры [Электронный ресурс]// Информа-ционный ресурс e-plastic – Режим доступа: 

https://e-plastic.ru/potrebitelyam/electronic/elektroprovodyashie-polimery/, свободный – Загл. с экрана.

Е.Т. Армитов. Разработка и исследование многофункциональных микро- и наноразмерных композиционных полимерных материалов с заданными свойствами [Текст]: Дисс. / Е.Т. Армитов, Лебедев С.М., Томск, 2018 г.

Виды, свойства и области применения электропроводящих полимерных композиций [Электронный ресурс] // Информационный ресурс scienceforum – Режим доступа: https://scienceforum.ru/2020/article/2018019800 /, свободный – Загл. с экрана.

М.Е. Саввинова. Электропроводящие полимерные композиционные материалы электротехнического назначения [Текст]: Статья / УДК 678.01:537.311, 2015 г.

Композиции полимерные электропроводящие [Электронный ресурс] // Информационный ресурс chem21 – Режим доступа:  https://chem21.info/info/1440907/, свободный – Загл. с экрана.

И.А. Чмутин. Электропроводящие полимерные композиты: структура, контактные явления, анизотропия / И.А. Чмутин, С.В. Летягин, В.Г. Шевченко, А.Т. Пономаренко – УДК 541.64:537.3, 1994 г, том 36, №4 с. 699 - 713.

Электропроводящие наполнители для полимерных композиционных материалов. Теория перколяции. [Электронный ресурс] // Информационный ресурс scienceforum – Режим доступа: https://scienceforum.ru/2019/article/2018017511/, свободный – Загл. с экрана.

Структура полимерных композиционных материалов [Электронный ресурс] // Информационный ресурс findout – Режим доступа: https://findout.su/2x10066.html, свободный – Загл. с экрана.

Код для цитирования: Скопировать