Ф. Т. Боймуратов1, У. Абдурахманов2, М. А. Алимов

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ В ОКРЕСТНОСТИ ПОРОГА ПРОТЕКАНИЯ


Ф.Т. Боймуратов¹, У.Абдурахманов², М.А.Алимов¹, А.С.Соипов¹.
¹ Ташкентский институт текстильной и легкой промышленности.
²Национальный университет Узбекистана им.Мирзо Улугбек. Ташкент. Узбекистан.
E-mail: [e-mail]


РЕЗЮМЕ
Выявлены закономерности зависимости обобщенной прово­димости (электропроводность, теплопроводность, диэлектричес­кая и магнитная проницаемость) композиционных полимерных мате­риалов, содержащих микро- и нано дисперсные частицы металлов.


РЕЗЮМЕ
Таркибида микро- ва нано металл заррачалари бўлган композицион полимер материалларнинг (электрўтказувчанлиги, иссиқликўтказувчанлиги, диэлектрик ва магнетик сингдирувчанлиги) умумлашган ўтказувчанликка қонуниятига боғлиқлиги аниқланди.


SUMMARY
The regularities of the dependence of the generalized conductivity (electrical conductivity, thermal conductivity, dielectric and magnetic permeability) of composite polymer materials containing micro- and nano dispersed particles of metals.

В последние годы интерес к материалам, содержащие наночастицы, растет лавинообразно благодаря их уникальным свойствам, которые существенно отличаются от свойств соответствующих компактных материалов. Среди этих неупорядоченных систем имеются различные композиты, содержащие наночастицы металлов, диспергированные в диэлектрических матрицах различного вида - керамика, полимеры, оксиды.

При изучении процессов переноса носителей заряда в композитных материалах с формулировались два основных направления. Первое связано с теоретическим расчетом обобщенной проводимости (электропроводность, диэлектрическая и магнитная проницаемость, теплопроводность), а второе направление связано с экспериментальным установлением закономерности поведения обобщенной проводимости в зависимости от содержания дисперсного наполнителя.
Несмотря на значительный уровень изученности обобщенной проводимости в неупорядоченных системах полученные в настоящее время аналитические расчетные формулы не могут объяснить все многообразие электрофизических свойств таких материалов. Применение классической перколяционной теории для описания электрических свойств композитов сталкивается с проблемами. Например, ниже перколяционного порога поведение проводимости композитов, содержащих наночастицы никеля, помещенные в матрицу из SiO₂ , не может быть объяснено в рамках этой теории. Эта проблема детально обсуждена в опубликованной обзорной статье Balberg и др. [Balberg I, Azulay D, Toker D, and Millo O “Percolation and Tunneling in Composite Materials,” 2004 Int. J. Mod. Phys. B 18 2091-2121.]. Происхождение этого несоответствия обсуждается в понятиях пространственно-структурной иерархической модели, т.е. образованием непрерывной пространственной структуры из туннельно-связанных проводников. Однако на сегодняшний день отсутствуют другие экспериментальные результаты, подтверждающие данное предположение.
Анализ литературных данных показывает, что до постановки данного НИР в композитных материалах не установлены закономерности поведения обобщенной проводимости, а также однозначно не выяснена природа механизма электропереноса носителей заряда в них. Не ясна энергетическая модель структуры, объясняющая поведения проводимости в таких системах.
Дальнейшее прогнозирование получения новых элементов со специальными и практически важными электрофизическими свойствами на основе композитных материалов зависят от решения выше названных задач.
Была определена оптимальная условия технологии получения полимерных материалов, содержащих наночастицы железа и никеля. Разработаны два типа композитов. Один представляет собой полимерные материалы, содержащие наноразмерные частицы железа и никеля. Другой – полимерные материалы, содержащие микродисперсные частицы железа и никеля.
Полимерный композит с металлическими наночастицами был приготовлен термическим разложением формиата металла в фенилоне, по аналогии с синтезом наночастиц в полиэтилене и полипропилене[1-3].
Как известно, метод малоуглового рентгеновского рассеяния позволяет изучать неоднородности вещества, размеры которых превышают межатомные расстояния и составляют от 5-10 до  10⁴ . Для определения размера частиц металла в композитах использовалась рентгеновская малоугловая камера типа КРМ-1. Был вычислен радиус частиц никеля и железы в композитах, значения диаметра которых не превышали 30 нм.
Композит с микрочастицами никеля и железы был приготовлен смешиванием порошка металла с фенилоном в планетарной мельнице в течение 7 часов. В этом порошке диаметр частиц металлов находился в диапазоне от 1 до 3 мкм, которое было установлено с помощью просвечивающей электронной микроскопии на микроскопе BS242E (Тесла).
Для выполнения электрических измерений из исходных порошкообразных образцов методом горячего прессования были изготовлены таблетки диаметром 15 мм и толщиной 2 мм.
Выявлены закономерности зависимости обобщенной прово­димости (электропроводность, теплопроводность, диэлектричес­кая и магнитная проницаемость) композиционных полимерных мате­риалов, содержащих микро- и нано дисперсные частицы металлов. При приближении к порогу протекания, т.е. к пере­ходу металл-диэлектрик поведение электропроводности и диэлек­трической проницаемости композитов в зависимости от объемного содержания порошка металлов описывается одной и той же сте­пенной формулой, полученной в рамках теории протекания.
Проводимость и статическая диэлектрическая проницаемость полимерных материалов, содержащих наночастицы металлов, также измерены в окрестности перколяционного порога. Найдено, что ниже этого порога экспериментально полученные зависимости проводимости и статической диэлектрической проницаемости от долевого содержания металла в этих материалах отличаются от зависимостей, рассчитанных в рамках перколяционной теории. Эти несоответствия были обсуждены в рамках фазовой - структурной модели, предложенной Балбергом и др.
Исследования поведения термо-ЭДС разработанных композитов показывают, что концентрационная зависимость значения термо-ЭДС носит четко выраженный критический характер. Полученные результаты показывают, что композиты на основе наночастицы металлов могут быть использованы в качестве элементов с высоким значением термо - ЭДС.
Теплопроводность металлсодержащих композиционных материалов вблизи порога протекания имеет критический ха­рактер. Увеличение теплопроводности в них согласуется с теорией протекания, согласно которой резкий рост теплопроводности в области порога протекания объясняется переходом от изолированных кластеров к бесконечному, способствующим переносу тепла в композициях по высокопроводящему компоненту.
Исследование концентрационно-частотной зависимости обобщенной проводимости композитных материалов и анализ полученных результатов в рамках современной теории гетерогенных систем, позволил выяснить природу механизма переноса носителей заряда в постоянном и переменном электрическом поле
На основе полученных результатов построена энергетическая модель структуры, объясняющая поведения обобщенной проводимости от содержания наночастиц металлов в композитных материалах. А также предложены эффективные методы разработки материалов со специальными электрофизическим свойствами, в частности:
- элементов с относительно высоким и стабильным значением тензочувстивительности,
- материалов с относительно высоким и регулируемым значением диэлектрической проницаемости, необходимых для электротехники,
Литературы
1. Gubin S.P., Spichkin Yu.I., Yurkov G.Yu., Tishin A.M.. // Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2002. V. 47. suppl. 1. P. 32.
2. Юрков Г.Ю., Астафьев Д.А., Никитин Л.Н., Кокшаров Ю.А., Катаева Н.А., Штыкова Э.В., Дембо К.А., Волков В.В., Хохлов А.Р., Губин С.П.. // Неорганические материалы. 2006. T. 42. № 5. C. 556.
3. Gubin S.P.,Yurkov G.Yu, Kosobudsky I.D.. // International Journal of Materials and Product Technology. 2005. V. 23. № 1-2. P. 2.