АННОТАЦИЯ 3
ведение 4
1 Общие сведения о нанотрубках 6
1.1 Строение и получение углеродных нанотрубок 6
1.2 Агломераты 9
1.3 Поглощающие материалы 10
1.4 Применение УНТ в разных сферах жизни 12
1.5 Композиты на основе вододисперсионной краски 14
1.6 Выводы 20
2 Ультразвуковой капиллярный эффект 21
3 Экспериментальная часть 24
3.1 Методика изготовления образцов 24
3.2 Оборудование 28
3.3 Результаты измерений электрофизических характеристик 30
Заключение 39
Список использованных источников и литературы 42
Композитные материалы применяют в разных сферах жизни. Изменяя состав веществ и соотношение компонентов, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств.
К основным электрофизическим характеристикам любого материала, применяемого в задачах радиофизики, относятся: диэлектрическая
проницаемость, магнитная проницаемость, коэффициенты отражения и поглощения. Композиты с УНТ имеют высокую электропроводность, высокий модуль Юнга, малую теплопроводность, хорошую адгезию с подложкой, что позволяет использовать их в радиоаппаратуре [1].
Электропроводность углеродных нанотрубок является ключевым параметром при разработке радиоматериалов на их основе. Причем ее величина оказывает существенное влияние на электрофизические характеристики композиционных материалов на основе нанотрубок. Варьируя концентрацию УНТ в качестве наполнителя, можно получить как отражающее, так и поглощающее покрытие [1].
В данной работе используются композиты на основе вододисперсионной краски с углеродными нанотрубками (УНТ). УНТ по структуре представляют собой длинные протяженные волокна, и эти волокна переплетаются между собой. С помощью ультразвука происходит «распутывание» УНТ. Также нужно понимать, что и краска подвергается ультразвуковой (УЗ) обработке.
Цель работы: оценить влияние ультразвуковой обработки на диэлектрическую проницаемость и проводимость композитов на основе лакокрасочных изделий с МУНТ.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнение следующих задач:
а) освоение методик измерения диэлектрической проницаемости образцов;
б) подбор состава композитов с углеродными включениями;
в) изготовление экспериментальных образцов на основе краски в качестве связующего;
г) измерение электрофизических характеристик образцов композитов;
д) проведение анализа полученных результатов;
е) оформление отчета.
В процессе выполнения работы получены результаты:
а) проведен обзор литературных источников;
б) изготовлены экспериментальные образцы с краской в качестве связующего;
в) измерены спектры диэлектрической проницаемости образцов композитов.
Показано, что
а) ультразвуковая обработка не оказывает существенного влияния на исходный лакокрасочный материал - значения диэлектрической проницаемости краски остаются стабильными для выбранного интервала времени;
б) наличие УНТ в виде длинных проводящих волокон, переплетенных между собой, увеличивает проводимость композита. Разрушение УНТ (укорочение) с помощью УЗО приводит к уменьшению протекания электрического тока. Тем самым уменьшается удельная проводимость. С увеличением времени обработки композита, содержащего 1 масс. % МУНТ, увеличивается удельная проводимость композита, и при времени обработки, равном 20 минут, наблюдается ее уменьшение, вызванное тем, что происходит разрушение отдельных МУНТ, и, соответственно, уменьшение их длины;
в) с увеличением времени обработки композита, содержащего 1 масс. % МУНТ, увеличивается значение диэлектрической проницаемости до времени обработки 8 минут.
г) применение резонаторного метода возможно для исследуемых композитов концентрацией 1 масс. % только до 8 минут. При больших временах обработки, используемые для расчета с помощью ММВ приближения становятся невыполнимыми, за счет увеличения удельной проводимости исследуемых образцов.
д) ДП композита на низких частотах зависит от времени УЗО следующим образом:
1) В исходном составе (0 минут) УНТ распределены в виде крупных агломератов;
2) увеличение времени УЗО до 4 минут приводит к распутыванию агломератов и появлению длинных проводящих хаотически расположенных волокон из УНТ в структуре композита, что проявляется в увеличении ДП;
3) УЗО до 10 минут приводит к разрушению УНТ (их укорочению) и уменьшению количества точек контактов трубок, что приводит к уменьшению ДП;
4) УЗО до 18 мин позволяет достичь однородности состава, появлению вторичных контактов и проводящих цепочечных структур что увеличивает ДП композита.
е) Для изменения значений ДП композита при одной и той же концентрации УНТ достаточно проводить УЗО в течении 4 мин для достижения максимальной величины ДП. Но для получения однородного композита, следует увеличить УЗО до 18 мин. Максимум ДП при УЗО, равной 4 мин., подтверждается исследованиями других авторов. Но максимум на 18 минутах достигнут впервые.
ж) Нагрев композита при УЗО не влияет на величину ДП.
Апробация работы была проведена на конференциях:
• XVII Всероссийская конференция Студенческих научно-исследовательских инкубаторов, г. Томск, 2020.
• Пятый Российско-Белорусский семинар «Углеродные наноструктуры и их электромагнитные свойства», г. Томск, 2021.
Результаты опубликованы в работах:
Жибинова Е.С. Влияние ультразвуковой обработки на диэлектрическую проницаемость краски на водной основе / Е.С. Жибинова, А.С. Червинская // Труды семнадцатой Всероссийской конференции студенческих научно-исследовательских инкубаторов. - Томск: Изд-во НТЛ, 2020. - С. 37 - 40.
Жибинова Е.С. Влияние ультразвуковой обработки на диэлектрическую проницаемость композита из вододисперсионной краски и МУНТ / Е.С. Жибинова, А.С. Червинская // Пятый Российско-Белорусский семинар «Углеродные наноструктуры и их электромагнитные свойства», г. Томск , 2021 (готовится к печати)
Благодарю за помощь в проведении измерений электрофизических характеристик образцов В.А. Журавлева, доцента каф. радиоэлектроники ТГУ и А.С. Червинскую, ассистента каф. радиоэлектроники; за фотографии образцов А.И. Бердюгина, ассистента каф. радиоэлектроники ТГУ.
Научные исследования проводились на оборудовании центра коллективного пользования Томского государственного университета «Центр радиофизических измерений, диагностики и исследования параметров природных и искусственных материалов».
