Моделирование эффективных электропроводящих свойств полимерных нанокомпозитов со случайным расположением частиц оксида графена

Моделирование эффективных электропроводящих свойств полимерных нанокомпозитов со случайным расположением частиц оксида графена

Автор: Ташкинов М.А., Добрыднева А.Д., Матвеенко В.П., Зильбершмидт В.В.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 2, 2021 года.

Бесплатный доступ

В последнее время композиционные материалы находят всё большее применение в различных индустриальных отраслях: в авиационной, морской и автомобильной промышленности, строительстве и др. Для выявления внутренних повреждений в полимерных композиционных материалах, таких как растрескивание матрицы, расслоение и др., получили активное развитие методы, основанные на измерении электропроводимости композиционного материала, которые дают возможность контролировать состояние композита в течение всего срока службы. В качестве матриц в композиционных материалах зачастую используются полимеры. Однако почти всегда чистые полимеры являются диэлектриками. Добавление в них нанонаполнителей, например графена и его производных, успешно используется для создания проводящих композитов на основе изоляционных полимеров. На конечные свойства наномодифицированных композитов могут влиять многие факторы, в том числе тип и собственные свойства нанообъектов, их дисперсия в полимерной матрице, межфазные взаимодействия. Работа посвящена изучению и моделированию эффективных электропроводящих свойств представительных объемов наномасштабных композиционных материалов на основе полимерной матрицы с распределенными в ней частицами оксида графена. В частности, изучены методы оценки эффективных, электропроводящих свойств, построены конечно-элементные модели представительных объемов полимерных матриц с частицами оксида графена, исследовано влияние эффекта туннелирования и влияние ориентации включений на электропроводящие свойства материалов. Исследована возможность использования моделей резистивных датчиков деформации, работающих на принципе эффекта туннелирования. На основе конечно-элементного моделирования и инструментария теории графов созданы подходы для расчета изменения проводящих свойств представительных объемов наномодифицированной матрицы, подверженных механическому нагружению.

Еще

Композиционный материал, полимер, углеродные наночастицы оксид графена, эффективные свойства, электропроводность, представительный объем, перколяция, туннелирование, межфазные зоны

Короткий адрес: https://sciup.org/146282047

IDR: 146282047   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2021.2.15

Список литературы Моделирование эффективных электропроводящих свойств полимерных нанокомпозитов со случайным расположением частиц оксида графена

  • Structural health monitoring for composite materials / J. Cai [et al.] // Compos. their Appl. - 2012. - С. 37-58. DOI: 10.5772/48215
  • Diamanti K., Soutis C. Structural health monitoring techniques for aircraft composite structures // Prog. Aerosp. Sci. -2010. - Vol. 46, no. 8. - P. 342-352. DOI: 10.1016/j.paerosci.2010.05.001
  • Lau K.-T. Structural health monitoring for smart composites using embedded FBG sensor technology // Mater. Sci. Technol. - 2014. - Vol. 30, no. 13. - P. 1642-1654. DOI: 10.1179/1743284714Y.0000000608
  • Micromechanics of nanocomposites / N. Stern [et al.] // Compr. Compos. Mater. II. - 2018. - Vol. 6-8. - P. 1-27. DOI: 10.1016/B978-0-12-803581-8.10250-4
  • The use of intelligent computational tools for damage detection and identification with an emphasis on composites - A review / G.F. Gomes [et al.] // Compos. Struct. - 2018. - Vol. 196, no. April. - P. 44-54. DOI: 10.1016/j.compstruct.2018.05.002
  • Tserpes K., Kora C. A multi-scale modeling approach for simulating crack sensing in polymer fibrous composites using electrically conductive carbon nanotube networks. Part I: Micro-scale analysis // Comput. Mater. Sci. - 2018. - Vol. 154, no. May. - P. 530-537. DOI: 10.1016/j.commatsci.2018.07.048
  • Graphene/epoxy interleaves for delamination toughening and monitoring of crack damage in carbon fibre/epoxy composite laminates / X. Du [et al.] // Compos. Sci. Technol. - 2017. -Vol. 140. - P. 123-133. DOI: 10.1016/j.compscitech.2016.12.028
  • Matos M.A.S., Tagarielli V.L., Pinho S.T. Simulation of the electromechanical properties of carbon nanotube polymer nanocomposites for strain sensing // Proc. Am. Soc. Compos. 31st Tech. Conf. ASC 2016. - 2016.
  • Obitayo W., Liu T. A Review: Carbon Nanotube-Based Piezoresistive Strain Sensors // J. Sensors. - 2012. - Vol. 2012. -P. 1-15. DOI: 10.1155/2012/652438
  • Abbasi H., Antunes M., Ignacio Velasco J. Recent advances in carbon-based polymer nanocomposites for electromagnetic interference shielding // Prog. Mater. Sci. - 2019. - Vol. 103, no. October 2017. - P. 319-373. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2019.02.003
  • Recent Progress in Graphene/Polymer Nanocomposites / X. Sun [et al.] // Adv. Mater. - 2020. - Vol. 2001105. - P. 1-28. DOI: 10.1002/adma.202001105
  • Development of polymer composites using modified, high-structural integrity graphene platelets / J. Ma [et al.] // Compos. Sci. Technol. - 2014. - Vol. 91. - P. 82-90. DOI: 10.1016/j.compscitech.2013.11.017
  • Matveenko V.P., Tashkinov M.A. Modeling the Influence of Structure Morphology on the Physical and Mechanical Properties of Nanocomposites Based on a Polymer Matrix and Graphene Oxide // Mech. Solids. - 2020. - Vol. 55, no. 3. - P. 316-323. DOI: 10.3103/S0025654420030097
  • Papageorgiou D.G., Kinloch I.A., Young R.J. Mechanical properties of graphene and graphene-based nanocomposites // Prog. Mater. Sci. - 2017. - Vol. 90. - P. 75-127. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2017.07.004
  • Mutlay I., Tudoran L.B. Percolation behavior of electrically conductive graphene nanoplatelets/polymer nanocomposites: Theory and experiment // Fullerenes Nanotub. Carbon Nanostructures. - 2014. - Vol. 22, no. 5. - P. 413433. DOI: 10.1080/1536383X.2012.684186
  • Graphene-based composite materials / S. Stankovich [et al.] // Nature. - 2006. - Vol. 442, no. 7100. - P. 282-286. DOI: 10.1038/nature04969
  • Papageorgiou D.G., Kinloch I.A., Young R.J. Gra-phene/elastomer nanocomposites // Carbon. - 2015. - Vol. 95. -P. 460-484. DOI: 10.1016/j.carbon.2015.08.055
  • Graphene-reinforced elastomeric nanocomposites: A review / B. Mensah [et al.] // Polym. Test. - 2018. - Vol. 68, no. April. - P. 160-184. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2018.04.009
  • Mechanical properties of graphene nanoplatelet/carbon fiber/epoxy hybrid composites: Multiscale modeling and experiments / C.M. Hadden [et al.] // Carbon N. Y. - 2015. -Vol. 95. - P. 100-112. DOI: 10.1016/j.carbon.2015.08.026
  • Tang L., Zhao L., Guan L. Graphene/Polymer Composite Materials: Processing, Properties and Applications // Advanced Composite Materials: Properties and Applications. January 31, 2017. - P. 349-419. DOI: 10.1515/9783110574432-007
  • Graphene-based polymer nanocomposites / J.R. Potts [et al.] // Polymer (Guildf). - 2011. - Vol. 52, no. 1. - P. 5-25. DOI: 10.1016/j.polymer.2010.11.042
  • Kumar A., Sharma K., Dixit A.R. A review of the mechanical and thermal properties of graphene and its hybrid polymer nanocomposites for structural applications // J. Mater. Sci. - 2019. - Vol. 54, no. 8. - P. 5992-6026. DOI: 10.1007/s10853-018-03244-3
  • Electrical percolation in graphene-polymer composites / A.J. Marsden [et al.] // 2D Mater. - 2018. - Vol. 5, no. 3. DOI: 10.1088/2053-1583/aac055
  • Simulations and electrical conductivity of percolated networks of finite rods with various degrees of axial alignment / S.I. White [et al.] // Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys. - 2009. DOI: 10.1103/PhysRevB.79.024301
  • Du F., Fischer J.E., Winey K.I. Effect of nanotube alignment on percolation conductivity in carbon nanotube/polymer composites // Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys. -2005. DOI: 10.1103/PhysRevB.72.121404
  • Electrical conductivity phenomena in an epoxy resin-carbon-based materials composite / M. Castellino [et al.] // Compos. Part A Appl. Sci. Manuf. - 2014. DOI: 10.1016/j.compositesa.2014.02.012
  • The viability and limitations of percolation theory in modeling the electrical behavior of carbon nanotube-polymer composites / S. Xu [et al.] // Nanotechnology. - 2013. DOI: 10.1088/0957-4484/24/15/155706
  • Improving the dispersion and integration of singlewalled carbon nanotubes in epoxy composites through functionalization / J. Zhu [et al.] // Nano Lett. - 2003. - Vol. 3, no. 8. - P. 1107-1113. DOI: 10.1021/nl0342489
  • Xie X.L., Mai Y.W., Zhou X.P. Dispersion and alignment of carbon nanotubes in polymer matrix: A review // Mater. Sci. Eng. R Reports. - 2005. - Vol. 49, no. 4. - P. 89-112. DOI: 10.1016/j.mser.2005.04.002
  • Bauhofer W., Kovacs J.Z. A review and analysis of electrical percolation in carbon nanotube polymer composites // Compos. Sci. Technol. - 2009. - Vol. 69, no. 10. - P. 1486-1498. DOI: 10.1016/j. compscitech.2008.06.018
  • Customizing thermally-reduced graphene oxides for electrically conductive or mechanical reinforced epoxy nano-composites / J.M. Vazquez-Moreno [et al.] // Eur. Polym. J. - 2017. -Vol. 93, no. March. - P. 1-7. DOI: 10.1016/j.eurpolymj.2017.05.026
  • Azoti W.L., Elmarakbi A. Multiscale modelling of graphene platelets-based nanocomposite materials // Compos. Struct. - 2017. - Vol. 168. - P. 313-321. DOI: 10.1016/j. compstruct.2017.02.022
  • Effect of morphological state of graphene on mechanical properties of nanocomposites / O. Bayrak [et al.] // J. Mater. Sci. -2016. - Vol. 51, no. 8. - P. 4037-4046. DOI: 10.1007/s10853-016-9722-0
  • Wang Y., Shan J.W., Weng G.J. Percolation threshold and electrical conductivity of graphene-based nanocomposites with filler agglomeration and interfacial tunneling // J. Appl. Phys. - 2015. - Vol. 118, no. 6. - P. 065101. DOI: 10.1063/1.4928293.
  • Berhan L., Sastry A.M. Modeling percolation in high-aspect-ratio fiber systems. II. the effect of waviness on the percolation onset // Phys. Rev. E - Stat. Nonlinear, Soft Matter Phys. - 2007. - Vol. 75, no. 4. - P. 1-7. DOI: 10.1103/PhysRevE.75.041121
  • Modeling electrical conductivities of nanocomposites with aligned carbon nanotubes / W.S. Bao [et al.] // Nanotechnology. - 2011. - Vol. 22, no. 48. - P. 485704. DOI: 10.1088/0957-4484/22/48/485704
  • A morphological investigation of conductive networks in polymers loaded with carbon nanotubes / G. Lubineau [et al.] // Comput. Mater. Sci. - 2017. - Vol. 130. - P. 21-38. DOI: 10.1016/j.commatsci.2016.12.041
  • Tunneling effect in a polymer/carbon nanotube nanocomposite strain sensor / N. Hu [et al.] // Acta Mater. -2008. - Vol. 56, no. 13. - P. 2929-2936. DOI: 10.1016/j.actamat.2008.02.030
  • Zare Y., Garmabi H., Rhee K.Y. Roles of filler dimensions, interphase thickness, waviness, network fraction, and tunneling distance in tunneling conductivity of polymer CNT nanocomposites // Mater. Chem. Phys. - 2018. - Vol. 206. -P. 243-250. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2017.11.017
  • Multiscale electro-mechanical modeling of carbon nanotube composites / K. Grabowski [et al.] // Comput. Mater. Sci. - 2017. - Vol. 135. - P. 169-180. DOI: 10.1016/j.commatsci.2017.04.019
  • Overview of polymer nanocomposites: Computer simulation understanding of physical properties / L. Wu [et al.] // Polymer (Guildf). - 2017. - Vol. 133. - P. 272-287. DOI: 10.1016/j.polymer.2017.10.035
  • Balberg I., Sunshine S.A., Heaney M.B. Critical behavior of the electrical transport properties in a tunneling-percolation system // Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys. - 1999. DOI: 10.1103/PhysRevB.59.12196
  • Effects of the dispersion state and aspect ratio of carbon nanotubes on their electrical percolation threshold in a polymer / Bao H. Da [et al.] // J. Appl. Polym. Sci. - 2013. DOI: 10.1002/app.37554
  • Yu Y., Song G., Sun L. Determinant role of tunneling resistance in electrical conductivity of polymer composites reinforced by well dispersed carbon nanotubes // J. Appl. Phys. -2010. - Vol. 108, no. 8. - P. 1-5. DOI: 10.1063/1.3499628
  • Numerical investigation on the influence factors of the electrical properties of carbon nanotubes-filled composites / B. De Vivo [et al.] // J. Appl. Phys. - 2013. DOI: 10.1063/1.4811523
  • Hansen N., Adams D.O., Fullwood D.T. Evaluation and development of electrical conductivity models for nickel nanostrand polymer composites // Polym. Eng. Sci. - 2015. DOI: 10.1002/pen.23914
  • Hashemi R., Weng G.J. A theoretical treatment of graphene nanocomposites with percolation threshold, tunneling-assisted conductivity and microcapacitor effect in AC and DC electrical settings // Carbon N. Y. - 2016. - Vol. 96. - P. 474-490. DOI: 10.1016/j.carbon.2015.09.103
  • Wang W., Jayatissa A.H. Computational and experimental study of electrical conductivity of graphene/poly(methyl methacrylate) nanocomposite using Monte Carlo method and percolation theory // Synth. Met. - 2015. -Vol. 204. - P. 141-147. DOI: 10.1016/j.synthmet.2015.03.022
  • Effect of carbon nanotube geometry upon tunneling assisted electrical network in nanocomposites / W.S. Bao [et al.] // J. Appl. Phys. - 2013. - Vol. 113, no. 23. DOI: 10.1063/1.4809767
  • Tunneling resistance and its effect on the electrical conductivity of carbon nanotube nanocomposites / W.S. Bao [et al.] // J. Appl. Phys. - 2012. - Vol. 111, no. 9. DOI: 10.1063/1.4716010
  • Health monitoring for composite materials with high linear and sensitivity GnPs/epoxy flexible strain sensors / S. Lu [et al.] // Sensors Actuators, A Phys. - 2017. - Vol. 267. -P. 409-416. DOI: 10.1016/j.sna.2017.10.047
  • Hicks J., Behnam A., Ural A. A computational study of tunneling-percolation electrical transport in graphene-based nanocomposites // Appl. Phys. Lett. - 2009. - Vol. 95, no. 21. -P. 1-4. DOI: 10.1063/1.3267079
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp