ПЕРКОЛЯЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ НА ОСНОВЕ НАНОСЛОИСТЫХ НЕОРГАНИЧЕСКИХ МАТРИЦ
Аннотация
Разработаны методики и созданы установки для исследования электрофизических свойств электропроводящих композиционных материалов и бинарных гетерогенных систем диэлектрик-проводник при комнатной температуре и под давлением. Исследованы электрофизические свойства на постоянном и переменном токе композиционных материалов в системах пеновермикулит – терморасширенный графит и пеновермикулит – природный графит в интервале температур 300 – 600 K. Определены пороги перколяции по электропроводности в данных системах, рассчитаны критические индексы в скейлинговой модели электропроводности. На основании анализа частотной и температурной зависимостей электропроводности композиционного материала показано, что в композите пеновермикулит терморасширенный графит до порога перколяции осуществляется термофлуктуационный механизм проводимости. После достижения порога перколяции наблюдается переход к прыжковому механизму проводимости с переменной длиной прыжка. Определены энергетические параметры в термофлуктуационной модели в интервале температур 350 – 600 К, а также параметр Мотта в модели прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка в интервале температур 373 – 573 K. Показано, что на кривой температурной зависимости электропроводности пеновермикулита, а также композиционных материалов на его основе, наблюдаются участки уменьшения электропроводности при росте температуры. Температурные интервалы данных участков согласуются с данными термогравиметрического анализа пеновермикулита, по которым в интервале температур 320 – 750 K наблюдаются две области потери массы: на первом участке 8,7%, на втором участке 2,6%. Анализ выделенных газов, проведенный с помощью инфракрасного спектрометра, показал только наличие паров воды.
Для цитирования:
Калашник А.В., Ионов С.Г. Перколяционные эффекты в композиционных материалах на основе нанослоистых неорганических матриц. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2025. Т. 68. Вып. 9. С. 6-13. DOI: 10.6060/ivkkt.20256809.3y.
Литература
Chung D.D.L. A review of exfoliated graphite. J. Mater. Sci. 2016. V. 51. P. 554-568. DOI: 10.1007/s10853-015-9284-6.
Paliotta L., De Bellis G., Tamburrano A., Marra F., Rinaldi A., Balijepalli S.K., Kaciulis S., Sarto M.S. Highly conductive multilayer-graphene paper as a flexible lightweight electromagnetic shield. Carbon. 2015. V. 89. P. 260-271. DOI: 10.1016/j.carbon.2015.03.043.
Chen P-H., Chung D.D.L. Comparative evaluation of cement-matrix composites with distributed versus net-worked exfoliated graphite. Carbon. 2013. V. 63. P. 446-453. DOI: 10.1016/j.carbon.2013.06.097.
Saikam L., Pa A., Bakthavatchalama S., Mahalingam S. A review on exfoliated graphite: Synthesis and applica-tions. Inorg. Chem. Commun. 2023. V. 152. P. 110685. DOI: 10.1016/j.inoche.2023.110685.
Sorokina N.E., Nikol’skaya I.V., Ionov S.G., Avdeev V.V. Acceptortype graphite intercalation compounds and new carbon materials based on them. Russ. Chem. Bull. 2005. V. 54. N 8. P. 1749-1767. DOI: 10.1007/s11172-006-0034-4.
Griaznova M.I., Lugvishchuk D.S., Gryaznov K.O., Filimonenkov I.S., Mitberg E.B., Karaeva A.R., Mordkovich V.Z. Exfoliated graphite application in pastes for screen printed electrochemical sensors. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 11. P. 59-64 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20226511.3y.
Li M., Zhao Y., Ai Z. Preparation and application of expanded and exfoliated vermiculite: A critical review. Chem. Phys. 2021. V. 550. P. 111313. DOI: 10.1016/j.chemphys.2021.111313.
Schackow A., Effting C., Folgueras M.V., Guths S., Mendes G.A. Mechanical and thermal properties of lightweight concretes with vermiculite and EPS using airentraining agent. Construct. Build. Mater. 2014. V. 57. P. 190-197. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2014.02.009.
Melnikov A.A., Gordina N.E., Rumyantsev R.N., Tyukanova K.A., Gusev G.I., Gushchin A.A. Synthesis of sorption systems based on mechanochemically activated vermiculite. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 8. P. 63-71 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20216408.6422.
Guo H., Wang Z., Xing B., Zeng H., Gao R., Huang G., Jia J., Cao Y., Zhang C. Carbon nanosheets prepared with a vermiculite template for high-performance lithiumion batteries via space-confined carbonization strategy. J. Alloys Compd. 2023. V. 933. P. 167721. DOI 10.1016/j.jallcom.2022.167721.
Song S., Li J., Yang Z., Wang C. Enhancement of Thermo-Physical Properties of Expanded Vermiculite-Based Organic Composite Phase Change Materials for Improving the Thermal Energy Storage Efficiency. ACS Omega. 2021. V. 6. P. 3891-3899. DOI: 10.1021/acsomega.0c05739.
Wang T., Zhao S., Liu S., Li J., Xin Y., Lu Q., Chen H. Effect of porous carbon on thermal and physical proper-ties of composite pure alkane/expanded vermiculite phase change energy storage materials. J. Energy Storage. 2022. V. 54. P. 105220. DOI 10.1016/j.est.2022.105220.
Chung D.D.L. A perspective on electromagnetic interference shielding materials comprising exfoliated graphite. Carbon. 2024. V. 216. P. 118569. DOI: 10.1016/j.carbon.2023.118569.
Yeletsky A.V., Knizhnik A.A., Potapkin B.V., Kenny H.M. Electrical characteristics of polymer composites containing carbon nanotubes. UFN. 2015. V. 185. N 3. P. 225-270 (in Russian). DOI: 10.3367/UFNr.0185.201503a.0225.
Savchenko D.V., Ionov S.G. Physical properties of carbon composite materials with low percolation threshold. J. Phys. Chem. Solids. 2010. V. 71. P. 548-550. DOI: 10.1016/j.jpcs.2009.12.033.
Kalashnik A.V., Serdan A.A., Koshkina N.A., Ionov S.G. Obtaining and physico-chemical properties of com-posite materials based on nanolayer inorganic matrices. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2013. V. 56. N 7. P. 12-16 (in Russian).
Savchenko D., Serdan A.б Morozov V., Tendeloo G., Ionov S. Improvement of the oxidation stability and the mechanical properties of flexible graphite foil by boron oxide impregnation. New Carbon Mater. 2012. V. 27. N 1. P. 12-18. DOI: 10.1016/S1872-5805(12)60001-8.
Kalashnik A.V., Ionov S.G. Obtaining and physico-chemical properties of materials based on expanded ver-miculites of various compositions. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2018. V. 61. N 6. P. 76-82 (in Russian). DOI: 10.6060/tcct.20186106.5692.
Tarasevich Yu.Yu. Percolation: Theory, applications, algorithms. M.: CD Librocom. 2018. 112 p. (in Russian).
Kalashnik N.A., Kalashnik A.V., Korchun O.V., Korchun A.V., Malakho A.P., Ionov S.G. Electrophysical properties of low-density composite materials based on inorganic matrices. Mater. Today: Proc. 2018. V. 5. N 12. P. 25928-25932. DOI: 10.1016/j.matpr.2018.08.005.
Hashemi R., Weng G.J. A theoretical treatment of graphene nanocomposites with percolation threshold, tunneling-assisted conductivity and microcapacitor effect in AC and DC electrical settings. Carbon. 2016. V. 96. P. 474-490. DOI: 10.1016/j.carbon.2015.09.103.
Sheng P. Fluctuation-induced tunneling conduction in disordered materials. Phys. Rev. B. 1980. V. 21. P. 2180-2195. DOI: 10.1103/PhysRevB.21.2180.
Tulić S., Waitz T., Čaplovičová M., Habler G., Vretenár V., Susi T., Skákalová V. Catalytic graphitization of single-crystal diamond. Carbon. 2021. V. 185. P. 300-313. DOI: 10.1016/j.carbon.2021.08.082.
Lu X., Yvonnet J., Detrez F., Bai J. Low electrical percolation thresholds and nonlinear effects in graphene-reinforced nanocomposites: A numerical analysis. J. Compos. Mater. 2018. V. 52. N 20. P. 2767-2775. DOI: 10.1177/0021998317753888.
Gantmacher V.F. Electrons in disordered media. M.: Fizmatlit. 2013. 288 p. (in Russian).
