Зависимость электропроводности от концентрации нанотрубок при постоянной концентрации микросфер может быть хорошо аппроксимирована степенным уравнением, что характерно для зависимости электропроводности композита от объемной доли электропроводящего наполнителя вблизи порога проводимости [13-14]:
, (11)
где у - удельная электропроводность моделируемого материала, б - нормировочный множитель, ц - объемная доля нанотрубок, ц0 - порог проводимости. Величина показателя степени в уравнении, вычисленная для приведенных на рисунке 5 б) данных для образцов с 25% масс. микросфер, составляет 1,9.
Зависимость электропроводности композита от концентрации микросфер имеет разнонаправленный характер для 2% и 3% масс. УНТ. Это может быть связано с наличием двух противодействующих факторов. С одной стороны, повышение концентрации микросфер приводит к уменьшению доли проводящей части композита. С другой стороны, при увеличении количества микросфер при постоянной массовой доле УНТ в композите происходит уплотнение упаковки УНТ, что, в некотором интервале концентраций УНТ, приводит к существенному росту электропроводности проводящей части композита.
Обращает на себя внимание характер роста е? с ростом концентрации УНТ, свидетельствующий о высокой поляризуемости данного наполнителя. Вместе с тем, с ростом концентрации УНТ наблюдается опережающий рост е? (проявляющийся ростом тангенса угла диэлектрических потерь), что, возможно, связано с вовлеченностью в сплошную электропроводимость лишь некоторой доли УНТ, растущей вместе с их концентрацией, в то время, как в поляризационных явлениях участвуют все УНТ при любых концентрациях. Наблюдаемая зависимость е материала от концентрации УНТ позволяет при небольших концентрациях нанотрубок достигать существенных значений е (в частности - позволяющих создавать материалы с величинами е, лежащими на первой ветви нулевого отражения, приведенной на рис. 3).
Приведенные данные показывают, что разработанные в настоящей работе пористые нанокомпозиты с углеродными нанотрубками перспективны для создания радиопоглощающих материалов.
Выводы
На основании теоретических расчетов показано, что для слоя однородного изотропного материала определенной толщины, расположенного на металлической подложке, всегда можно подобрать множество значений комплексной диэлектрической проницаемости, обеспечивающих нулевой коэффициент отражения нормально падающей монохроматической плоской электромагнитной волны.
Представлены данные по получению и исследованию нового класса нанокомпозитов - сферопластиков с углеродными нанотрубками. Определены электро- и радиофизические свойства новых материалов. Показано, что мнимая часть диэлектрической проницаемости исследованных композитов определяется преимущественно сплошной электропроводностью материала. При этом введение небольшого количества УНТ (единицы процентов по массе) позволяет получать высокие значения вещественной и мнимой диэлектрической проницаемости материала
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научных проектов №15-38-20717 мол_а_вед и №13-03-00922 А.
Литература
1. Yukhanov A.Y.,Andrianov V.I., Ostrovsky A.G., Los V.F. Peculiarities of video pulse Scanning Antenna Array design// Ultrawide band and Ultrashort Impulse Signals. - Sevastopol, Ukraine. - 18-22 September, 2006. - pp. 85-89
2. З.М. Гизатуллин. «Повышение эффективности экранирования металлических корпусов электронных средств»// Технологии ЭМС 2010, № 3, стр. 37-43
3. F. Qinand, C. Brosseau. A review and analysis of microwave absorption in polymer composites filled with carbonaceous particles// J. Appl. Phys. 111, 061301 (2012); doi: 10.1063/1.3688435;
4. С.В. Кондрашов, К.А. Шашкеев, О.В. Попков, Л.В. Соловьянчик. Перспективные технологии получения функциональных материалов конструкционного назначения на основе нанокомпозитов с УНТ. Обзор// Труды ВИАМ, 2016 (viam-works.ru).
5. С.В. Кондрашов, А.Г. Гуняева, К.А. Шашкеев, Д.Я. Баринов, М.А. Солдатов, В.Г. Шевченко, А.М. Музафаров. Электропроводящие гибридные полимерные композиционные материалы на основе нековалентно функционализированных углеродных нанотрубок// Труды ВИАМ, 2016 (viam-works.ru).
6. С.В. Кондрашов, К.А. Шашкеев, О.В. Попков, Л.В. Соловьянчик. Физико-механические свойства нанокомпозитов с УНТ. Обзор// Труды ВИАМ, 2016 (viam-works.ru).
7. Акатенков Р.В., Аношкин И.В., Беляев А.А., Битт В.В., Богатов В.А., Дьячкова Т.П., Куцевич К.Е., Кондрашов С.В., Романов А.М., Широков В.В., Хоробров Н.В. Влияние структурной организации углеродных нанотрубок на радиоэкранирующие и электропроводящие свойства нанокомпозитов //Авиационные материалы и технологии. 2011. №1. С. 35-42.
8. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» //Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33.
9. Kablov E.N., Kondrashov S.V., Yurkov G.Yu. Prospects of using carbonaceous nanoparticles in binders for polymer composites //Russian nanotechnologies, 2013, v. 8, i. 3-4, pp. 163-185.
10. Каблов Е.Н. Конструкционные и функциональные материалы - основа экономического и научно-технического развития России //Вопросы материаловедения. 2006. №1. С. 64-67.
11. Van der Pauw L.J. A method of measuring specific resistivity and Hall effect of discs of arbitrary shape// Philips Research Report. - 1958. - Vol. 13, no. 1. - p. 1-9.
12. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., Теоретическая физика: Учеб. Пособ.: Для вузов в 10 томах/ под ред. Л.П. Питаевского. - 4-е, стереот. Изд. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - Т. VIII. Электродинамика сплошных сред.
13. Stauffer, D. & Aharony, A. (1994) Introduction to Percolation Theory, London: Taylor & Francis Ltd,
14. Bunde, A. & Havlin, S. (1996) Fractals and Disordered Systems, Berlin: Springer.
15. Ravi K. Challa, Darko Kajfez, Veysel Demir, Joseph R. Gladden, and Atef Z. Elsherbeni. Characterization of Multiwalled Carbon Nanotube (MWCNT) Composites in a Waveguide of Square Cross Section// IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS, VOL. 18, NO. 3, MARCH 2008 161-163
16. Yi Huang, Ning Li, Yanfeng Ma, Feng Du, Feifei Li, Xiaobo He, Xiao Lin, Hongjun Gao, Yongsheng Chen. The influence of single-walled carbon nanotube structure on the electromagnetic interference shielding efficiency of its epoxy composites// Carbon, 2007, v.45, i. 8, pp. 1614-1621.
17. Changshu Xiang,a_ Yubai Pan, Xuejian Liu, Xingwei Sun, Xiaomei Shi, and Jingkun Guo. Microwave attenuation of multiwalled carbon nanotube-fused silica composites// APPLIED PHYSICS LETTERS, 2005, 87, 123103, DOI: 10.1063/1.2051806.