Столь резкое изменение электрических свойств материала объясняется в рамках механизма перколяционной проводимости, согласно которому при превышении некоторой пороговой концентрации нанотрубки вступают в электрический контакт друг с другом, образуя в материале проводящие каналы. Согласно теории, проводимость композита σ в окрестности порога протекания описывается выражением
σ = σо(V – Vc)t, (1)
где V – объемное содержание присадки, Vc – критическая (пороговая) величина этого параметра, соответствующая возникновению перколяционной цепи, t – показатель экспоненты, величина которого обычно близка к 2. При этом пороговая величина концентрации УНТ Vc обратно пропорциональна их аспектному отношению (отношение длины к диаметру), что оправдывает применение длинных УНТ в целях создания проводящих композитных материалов на полимерной основе.
Основная трудность, стоящая на пути создания проводящих полимерных материалов с малой присадкой УНТ, связана с необходимостью обеспечения равномерного распределения нанотрубок по объему материала. Эта трудность обусловлена известной тенденцией нанотрубок к образованию жгутов, в которых нанотрубки слипаются друг с другом благодаря взаимодействию Ван-дер-Ваальса. Нанотрубки, объединенные в жгуты, не участвуют в образовании перколяционных цепей, что увеличивает величину порога протекания. Однако результаты экспериментов показывают, что абсолютно равномерное распределение присадки по объему материала не является оптимальным с точки зрения минимизации порога протекания.
В работе [1] был исследован набор образцов композита размером 25´25´1 мм на основе полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) с присадкой многослойных УНТ, имеющих среднее аспектное отношение 1000. Наряду с нанотрубками, образцы, полученные методом горячего прессования, содержали также 0.1% антиоксиданта на основе фенола. С целью предотвращения окисления образцы прогревали в атмосфере азота при температуре 200оС. Электрические характеристики образцов измеряли четырехконтактным методом.
Измерения, результаты которых приведены на рисунке, указывают на существенную зависимость положения перколяционного порога, а также величины показателя экспоненты t, от длительности термообработки. При этом наблюдается обратно пропорциональная зависимость показателя экспоненты t от положения перколяционного порога Vc. Из полученных в работе результатов следует, что для установления в нанокомпозите перколяционной проводящей цепи, параметры которой описываются соотношением (1), требуется значительное время, в течение которого происходит распределение частиц наполнителя по объему полимерного материала. Этот вывод позволяет объяснить существенный разброс в величинах перколяционных параметров, полученных различными авторами.
А.Елецкий
1. A.Combessis et al., Appl. Phys. Lett. 102, 011907 (2013).