Percolation Threshold in carbon nanotube polymer composites Κυριάκος Kωνσταντίνος Σεμινάριο Φυσικής 8ο εξάμηνο Σχολή Ε.Μ.Φ.Ε. Υπεύθυνος Καθηγητής: Π. Πίσσης

Περιεχόμενα Εισαγωγή στους νανοσωλήνες άνθρακα [ CNT ] Εισαγωγή στο φαινόμενο διάχυσης (percolation) Περιγραφή επίδρασης των νανοσωλήνων στις μακροσκοπικές ιδιότητες των πολυμερών Εφαρμογές Αποτελεσμάτων

Νανοσωλήνες Άνθρακα CNT = carbon nanotubes 2 είδη –MWNT = multiwalled nanotubes –SWNT = singlewalled nanotubes

Τρόποι παραγωγής Η βασική ιδέα είναι απλή : «τυλίγουμε» ένα φύλλο γραφενίου ώστε να σχηματιστεί ο σωλήνας.

Τρόποι παραγωγής Υπάρχουν διάφοροι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται σήμερα. Πρώτος ο οποίος έφτιαξε, τυχαία, νανοσωλήνες ήτανε ο Iijima το Ο Smalley το 1996 εισήγαγε νέα μέθοδο υψηλής αποδοτικότητας (laser ablation).

Chemical Vapor Deposition Μέθοδος που αναπτύχθηκε το Η ανάπτυξη γίνεται πάνω σε υπόστρωμα ( πυρίτιο, γυαλί, αλουμίνιο). Οι CNT προκύπτουν από την αποσύνθεση υδρογονανθράκων. Πλέον χρησιμοποιούμενη μέθοδος λόγω πολλών πλεονεκτημάτων.

Ιδιότητες CNT Μηχανικές –Εξαιρετικά ανθεκτικοί (100 φορές περισσότερο από το ατσάλι). –Εξαιρετικά ευλύγιστοι (επανέρχονται σε κανονική θέση ακόμα και από καμπύλωση 120 ο ).

Ιδιότητες CNT Θερμικές –Μέχρι σήμερα θεωρούσαμε τον αδάμαντα ως τον καλύτερο αγωγό θερμότητας, οι CNT όμως έδειξαν διπλάσια θερμική αγωγιμότητα –Οφείλεται κυρίως στις διεγέρσεις των φωνονίων του πλέγματος

Ιδιότητες CNT Ηλεκτρικές –Έχουν εξαιρετικά υψηλή αγωγιμότητα που οφείλεται στην σχεδόν μονοδιάστατη φύση τους. –Είναι τα υλικά που μπορούν να φέρουν την μεγαλύτερη πυκνότητα ρεύματος από οποιοδήποτε άλλο (10 9 A/cm 2 ).

Percolation Threshold Κατώφλι Διαφυγής. Εμφανίστηκε σαν στατιστικό πρόβλημα. Αφορά το ποσοστό ενός συστήματος που πρέπει να επηρεαστεί ώστε να αλλάξουν οι ιδιότητες του. Γενικότερα βοηθά στην προσέγγιση κρίσιμων τιμών λίγο πριν ή μετά από το «κατώφλι» ενός γεγονότος.

Παράδειγμα Μία Διάσταση Δύο Διαστάσεις 100% 50% Στις τρεις διαστάσεις ποιό είναι το ποσοστό?

Percolation Threshold in carbon nanotube polymer composites Στοχεύουμε στην συνεργασία των νανοσωλήνων με άλλα υλικά. Τα πολυμερή αποτελούν ένα τύπο υλικού ευρέως χρησιμοποιούμενο. Άρα μας απασχολεί το ποσοστό των νανοσωλήνων που πρέπει να εισάγουμε σε μία πολυμερική μήτρα ώστε να αποκομίσουμε τις επιθυμητές ιδιότητες.

Εικόνες από μικροσκόπιο

Σχηματικά

Μία πρώτη ιδέα… Ενδιαφερόμαστε επομένως να βρούμε την κρίσιμη περιεκτικότητα του σύνθετου υλικού σε CNT ώστε να είναι αγώγιμο.

Ανάλογα την μήτρα Τα πειράματα έδειξαν ότι το κατώφλι αυτό είναι μεταβλητό ανάλογα με το υλικό που χρησιμοποιούμε σαν μήτρα. –Polyamide 6 : 1.7 vol% –Polypropylene : 2.2 wt% –Polyimide : 1.1 wt% –Epoxy matrices : wt% ( για 2 wt% εμφανίζουν αγωγιμότητα 2 S/m)

Percolation Threshold in carbon nanotube polymer composites Οι πειραματικές διαδικασίες έδειξαν επομένως ότι μόλις ένα πολύ μικρό ποσοστό CNT αρκεί ώστε το πολυμερές να εμφανίσει ηλεκτρική αγωγιμότητα.

Μετά το κατώφλι αγωγιμότητας υπάρχει αύξηση της αγωγιμότητας αλλά με χαμηλότερο ρυθμό (percolation threshold = 1.7 vol%). Μετά το κατώφλι

Διαφορετική Περιεκτικότητα Πιο συγκεκριμένα, αυξάνοντας την συγκέντρωση των CNT μέσα στο πολυμερές και μελετώντας τα αποτελέσματα παρατηρούμε :

Percolation Threshold in carbon nanotube polymer composites Το φαινόμενο εξαρτάται εξίσου από το είδους του πολυμερούς που χρησιμοποιείται σαν μήτρα.

Άλλες επιπτώσεις Πέρα από την ηλεκτρική αγωγιμότητα η πρόσθεση CNT σε πολυμερικές μήτρες έχει επίπτωση και στις μηχανικές ιδιότητες αυτών.  Αύξηση της αντοχής του υλικού (ένα ποσοστό 1 wt% σε πολυαιθυλένιο αρκεί για αύξηση αντοχής μέχρι και 150%).  Σε ίνες polyacrylonitrile που περιείχαν MWNT παρατηρήθηκε αύξηση της ενέργειας θραύσης έως και 80%.

Άλλες επιπτώσεις Επίσης υπάρχει μεταβολή στις μεταβάσεις των διάφορων φάσεων του πολυμερούς (π.χ.αυξάνει την κρυσταλλικότητα του πολυμερούς).

Πρόκληση Οι νανοσωλήνες άνθρακα, φέροντας την χημικό και ηλεκτρονιακό προφίλ του άνθρακα, δείχνουν σε μερικές περιπτώσεις να συνεργάζονται δύσκολα με τις πολυμερικές μήτρες. Τα προβλήματα οφείλονται κυρίως στην ιδιαιτερότητα της επιφάνειας αλληλεπίδρασης (interface) Πως θα μπορέσουμε να βελτιώσουμε την συνεργασία μήτρας και νανοσωλήνων μειώνοντας τα προβλήματα???

Εφαρμογές Κατασκευαστικό υλικό Μονωτικές «ασπίδες» ηλεκτρισμού και θερμότητας Πλαστικά με αγώγιμες ιδιότητες Μικροανιχνευτές

Πηγές The Physics Of Amorphous Solids (Richard Zallen) Carbon Nanotube Based Composites- A Review (Rupesh Khare, Suryasarathi Bose) Thermal and Electrical Characterization of Polypropylene/Carbon Nanotube Nanocomposites Thermal and electrical properties of Polyamide/Multi- Walled Carbon Nanotubes nanocomposites (E. Logakis, Ch. Pandis, V. Peoglos, P. Pissis, A. Kanapitsas,J. Pionteck, P. Pötschke, M. Mičušík and M. Omastová)