Structure, thermal and electrical properties of nanocomposites with hybrid fillers
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Abstract EN:
The thesis determines the principles of the conductive phase structure formation in polymer composites containing conductive fillers, which will be different types of carbon fillers. The processes of segregated structure formation in which the particles of the filler are localized on the surfaces of polymer grains is studied. It is shown that the value of the percolation threshold φc for the segregated system is one order lower than in the composite with a random distribution of the filler 2.95 vol.% and 24.8 vol.%, respectively. The hybrid filler shows percolation threshold, much lower than the value calculated using the mixing rule. Experimental results of thermal conductivity for systems filled with anthracite, graphene and hybrid filler Gr/A do not reveal percolation behaviour and can be well described by the Lichtenecker model. It is shown that λf for segregated systems is 4.4 times higher than for a composite with a random distribution of filler particles. It is shown that in segregated systems the shielding parameters are significantly increased due to the absorption caused by the internal reflection on the conductive walls of the filler framework. Carbon fillers create the most effective basis that ensures a high absorption rate of EMI at low concentrations. It was found that the greatest shielding effect in the interaction of a composite with electromagnetic radiation was observed for the hybrid filler GNP/CNT (graphite nanoplatelets/carbon nanotubes). The synergistic effect is explained not by their higher electrical conductivity, but by the better interaction of the EMI with the developed hybrid framework of the filler, which causes increased absorption of the EMI. Systems with a segregated structure based on elastomer (ground rubber) with a polymer-adhesive and hybrid electroconductive nano-fillers exhibit a significant piezoresistive effect. The cyclic studies of electric response, depending on the applied external load, showed a linear relationship between composite deformation and current changes through the sample and demonstrate stable long-term stability. The study of the piezoresistive effect in a wide temperature range (-40 ÷ +50°C) showed the stability of the main characteristics and the possibility of exploiting the composite in a wide temperature range.
Abstract FR:
Isolante. On a étudié les processus de formation d'une structure ségrégée, qui conduisait à la formation d'une distribution ordonnée de particules dans une matrice polymère. Il est montré que dans le système ségrégé, la valeur du seuil de percolation φc est d'un ordre de grandeur inférieur à celui d'un composite présentant une distribution aléatoire des charge (2,95% vol. pour le composite ségrégé contre 24,8% vol. pour le composite à distribution aléatoire). Le seuil de percolation dans le cas d'un mélange de charges est très inférieur à la valeur calculée à l'aide de la règle des mélanges. Il est montré que les résultats expérimentaux de conductivité thermique ne révèlent pas de comportement de percolation et peuvent être décrits de façon satisfaisante par le modèle de Lichtenecker. La valeur du paramètre λf traduisant la conductivité thermique de la charge en tenant compte de l’interface charge/matrice est de 4,4 fois plus élevé pour les systèmes ségrégés que pour un composite à distribution aléatoire de particules. Il est montré que dans les systèmes ségrégés, les paramètres de blindage sont considérablement augmentés en raison de l'absorption provoquée par la réflexion interne sur les parois conductrices du réseau de charges conductrices. Il est établi que les charges de carbone constituent la base la plus efficace, ce qui garantit une absorption élevée des rayonnements électromagnétiques (REM) aux faibles concentrations. Il est avéré que le plus grand effet de blindage est observé pour un mélange de charges hybrides GNP/CNT (nanoplaques en graphite / nanotubes de carbone). L'effet de synergie s'explique par la meilleure interaction du REM avec le réseau hybride ramifiée formés par les charges, ce qui entraîne une absorption accrue du REM. Les systèmes à structure ségrégée à base d'élastomères présentent un effet piézorésistif prononcé avec une relation linéaire de déformation / modification de l'intensité du courant. L'étude de l'effet piézorésistif dans une large gamme de température (-40 / +50°С) a montré la stabilité des caractéristiques principales et la possibilité d'utiliser le composite dans une large gamme de températures.