МОДЕЛЮВАННЯ ІНДУКОВАНОЇ ПОЛЕМ ПЕРКОЛЯЦІЇ У ТРИВИМІРНОМУ МАСИВІ ПРЯМИХ НАНОТРУБОК

I. Zhydenko, Halyna Klym

Анотація


Дослідження явища перколяції в системі прямих нанотрубок і запропоновано адаптовану модель процесу. Розроблено обчислювальний алгоритм для визначення ймовірності перколяції нанотрубок, використовуючи інструменти візуалізації тривимірної графіки. Моделювання перколяції системи трубок виконувалося шляхом систематичної оцінки відстаней між усіма нанотрубками.

Досліджено вплив геометричних розмірів і концентрації нанотрубок на ймовірність перколяції. Аналіз залежностей ймовірності перколяції від концентрації та геометричних розмірів нанотрубок за умов їх рівномірного та ізотропного розподілу в 3D просторі свідчить про зниження порогу перколяції завдяки збільшенню довжини нанотрубок від 0,5 до 2,5 мкм. Мінімальна концентрація нанотрубок, що забезпечують утворення провідного кластера, зменшується з 9 до 2,5%. Збільшення радіуса нанотрубок від 20 до 110 нм призводить до відповідного підвищення порогу перколяції. Це може бути пов’язано зі зменшенням кількості нанотрубок у об’ємі та збільшенням їх діаметра для постійних об’ємних концентрацій.

Показано, що для нанотрубок довжиною 3–4 нм ймовірність перколяції досягає значень (0,8–1,0) під напругою 5 В. При 3% концентрації нанотрубки довжиною понад 3 нм можуть утворювати провідну мережу навіть без прикладеного електричного поля. З іншого боку, ефективність утворення провідних кластерів у системі нанотрубок довжиною 0,5–1,5 нм є низькою для випадкової орієнтації. Тому встановлено, що оптимальна довжина нанотрубок для електрично керованої перколюючої системи становить близько 3 нм.

На основі аналізу результатів розрахунків залежності ймовірності перколяції від напруги для різної концентрації наповнювачів нанотрубок фіксованої довжини (3 нм) встановлено слабку залежність перколяції в системі прямих нанотрубок від рівня анізотропії розподілу для концентрації нанотрубок в діапазоні 0,5–1,5%. Ефективне перемикання перколюючої системи в кондуктивний режим при прикладеній напрузі вище 5 В забезпечується в нанокомпозитах із завантаженням нанотрубок на 3–4%.

Завдяки дослідженню взаємозв’язку між ймовірністю перколяції та значеннями кута дисперсії, що визначають орієнтацію нанотрубок, виявлено фундаментальні закономірності формування провідних кластерів під впливом електричного поля. За допомогою цього аналізу було встановлено оптимальні параметри для системи нанотрубок, що демонструє перколяцію, керовану полем.

Ключові слова: нанотрубки, перколяція, ймовірність перколяції, 3D візуалізація.


Повний текст:

PDF (English)

Посилання


  1. Li M. Percolation on complex networks: Theory and application / M. Li, R. R. Liu, L. Lü, M. B. Hu, S. Xu, Y. C. Zhang // Physics Reports. – 2023. – Vol. 907. – P. 1-68.
  2. Sarikhani N. Unified modeling and experimental realization of electrical and thermal percolation in polymer composites / N. Sarikhani, Z. S. Arabshahi, A. Saberi, A. Z. Moshfegh // Applied Physics Reviews. – 2022. – Vol. 9(4). – 041403.
  3. Ji S. Experimental and theoretical investigations of the rheological and electrical behavior of nanocomposites with universal percolation networks / S. H. Ji, D. Lee, J. S. Yun // Composites Part B: Engineering. – 2021. – Vol. 225. – P. 109317.
  4. Payandehpeyman J. Physics-based modeling and experimental study of conductivity and percolation threshold in carbon black polymer nanocomposites / J. Payandehpeyman, M. Mazaheri, A. S. Zeraati, S. Jamasb, U. Sundararaj // Applied Composite Materials. – 2023. – P. 1-21.
  5. Karbovnyk I. Random nanostructured metallic films for environmental monitoring and optical sensing: experimental and computational studies / I. Karbovnyk, J. Collins, I. Bolesta, A. Stelmashchuk, Kolkevych A., S. Velupillai, H. Klym, O. Fedyshyn, S. Tymoshuk and I. Kolych // Nanoscale Research Letters. – 2015. - Vol. 10(1). – P. 151.
  6. Tang Z. H. Modeling the synergistic electrical percolation effect of carbon nanotube/graphene/polymer composites / Z. H. Tang, D. Y. Wang, Y. Q. Li, P. Huang, S. Y. Fu // Composites Science and Technology. – 2022. – Vol. 225. – P. 109496.
  7. Haghgoo M. Predicting effective electrical resistivity and conductivity of carbon nanotube/carbon black-filled polymer matrix hybrid nanocomposites / M. Haghgoo, R. Ansari, M. K. Hassanzadeh-Aghdam // Journal of Physics and Chemistry of Solids. – 2022. – Vol. 161. – P. 110444.
  8. Wang D. Y. Modelling the effects of carbon nanotube length non-uniformity and waviness on the electrical behavior of polymer composites / D. Y. Wang, Z. H. Tang, P. Huang, Y. Q., S. Y. Fu // Carbon. – 2023. – Vol. 201. – P. 910-919.
  9. Min C. The electrical properties and conducting mechanisms of carbon nanotube/polymer nanocomposites: A review / C. Min, X. Shen, Z. Shi, L. Chen, Z. Xu // Polymer-Plastics Technology and Engineering. – 2010. – Vol. 49(12). – P. 1172-1181.
  10. Karbovnyk I. Effect of radiation on the electrical properties of PEDOT-based nanocomposites / I. Karbovnyk, O. Olenych, O. Aksimentyeva, H. Klym, O. Dzendzelyuk, Yu. Olenych, O. Hrushetska // Nanoscale Research Letters. – 2016. – Vol. 11. – P. 84.
  11. Yakuphanoglu F. Double-walled carbon nanotube/polymer nanocomposites: electrical properties under dc and ac fields / F. Yakuphanoglu, I. S. Yahia, G. Barim, B. F. Senkal // Synthetic metals, 2010. – Vol. 160(15-16). – P. 1718-1726.
  12. Snarskii A. A. Induced anisotropy in composite materials with reconfigurable microstructure: Effective medium model with movable percolation threshold / A. A. Snarskii, M. Shamonin, P. Yuskevich, D. V. Saveliev, I. A. Belyaeva // Physica A: Statistical Mechanics and its Applications. – 2020. – Vol. 560. – P. 125170.
  13. Yang Z. The effect of anisotropy on the percolation threshold of sealing surfaces / Z. Yang, J. Liu, X. Ding, F. Zhang // Journal of Tribology. – 2019. – Vol. 41(2). – P. 022203.
  14. Du F. Effect of nanotube alignment on percolation conductivity in carbon nanotube/polymer composites / F. Du, J. E. Fischer, K. I. Winey // Physical Review B. – 2005. – Vol. 72. – P. 121404.
  15. Massey M.K. Evolution of electronic circuits using carbon nanotube composites / M.K. Massey, A. Kotsialos, D. Volpati, E. Vissol-Gaudin, C. Pearson, L. Bowen, B. Obara, D.A. Zeze, C. Groves, M.C. Petty // Scientific Reports. – 2016. – Vol. 6. – P. 32197.
  16. Stelmashchuk A. Modeling and quantitative analysis of connectivity and conductivity in random networks of nanotubes / A. Stelmashchuk, I. Karbovnyk, H. Klym, O. Berezko, Yu. Kostiv, R. Lys // EasternEuropean Journal of Enterprise Technologies. – 2017. – Vol. 5(12). – P. 4-12.
  17. Zeng X. Characteristics of the electrical percolation in carbon nanotubes/polymer nanocomposites / X. Zeng, X. Xu, P.M. Shenai, E. Kovalev, C. Baudot, N. Mathews, Y. Zhao // J. Phys. Chem. C. – 2011. – Vol. 115. – P. 21685-21690.




DOI: http://dx.doi.org/10.30970/eli.24.1

Посилання

  • Поки немає зовнішніх посилань.