خصوصیات الکتریکی نانوکامپوزیت های پلیمر گرافن Electrical Properties of Graphene Polymer Nanocomposites
- نوع فایل : کتاب
- زبان : فارسی
- ناشر : اسپرینگر Springer
- چاپ و سال / کشور: 2015
توضیحات
رشته های مرتبط: مهندسی مواد و مهندسی پلیمر، مهندسی مواد مرکب، کامپوزیت، نانوفناوری و نانو مواد
گرافن، یک هیبرید sp2 تک لایه از اتم های کربن آرایش یافته در یک شبکه دو بعدی است که صنعت الکتریکی را به دلیل خصوصیات الکتریکی استثنایی اش، به خود جلب کرده است. یکی از امیدوارکننده ترین برنامه های کاربردی این ماده، بکار بردن آن در نانوکامپوزیت های پلیمر است که در آن رابط گرافن براساس مواد است و زنجیره های پلیمری که برای توسعه فناوری ترین دستگاهها، ادغام شده اند. این فصل، خصوصیات الکتریکی چنین گرافن هایی را که براساس نانوکامپوزیت های گرافن هستند را ارائه می دهد و همچنین اثر عوامل مختلف را بر هدایت الکتریکی آنها را مورد بحث قرار می دهد. گرافن قادر است که عایق را به یک انتقال دهنده رسانا که بارگذاری قابل توجه پایینی دارد توسط ایجاد مسیرهای تراوشی برای انتقال الکترون و ساخت پلیمرهای کامپوزیت که از نظر الکتریکی رسانا هستند، تبدیل کند. اثر شرایط پردازش، پراکندگی، تجمع، اصلاح و نسبت ابعاد گرافن بر هدایت الکتریکی نانوکمپوزیت های گرافن/پلیمر نیز مورد بررسی قرار گرفته اند. کلمات کلیدی: هدایت، پرکولاسیون یا تراوش، اصلاح پرکننده Filler، کسر حجمی، ساخت ۱٫مقدمه گرافن، یک ساختار تک اتمی ضخیم، دو بعدی از sp2باند شده به اتم های کربن است که زمینه ی تحقیقات بسیار زیادی را به علت خصوصیات الکتریکی، قدرت تقویت عالی، ویژگی های فیزیکی منحصر بفرد و خصوصیات مکانیکی بالا، به خود جلب کرده است. بنابراین تحقیقات اخیر، بر توسعه عملکرد بالا نانوکامپوزیت های پلیمر با بهره مندی از نانوتکنولوژی گرافن به منظور رسیدن به مواد کامپوزیت جدید برای طیف گسترده ای از زمینه های صنعتی متمرکز شده اند. گرافن بطور چشمگیری خصوصیات پلیمر ها براساس کامپوزیت ها را در بارگذاری بسیار پایین بهبود می بخشد و جذاب ترین ویژگی آن، هدایت سطحی بسیار بالایی است که منجر به تشکیل کامپوزیت های پلیمر رسانای متعددی می گردد. چنین نانوکامپوزیت های گرافن بطور گسترده ای در مواد آنتی استاتیک، حفاظت از تداخل الکترومغناطیسی (EMI)، حسگرهای شیمیایی، صفحات دو قطبی برای سلولهای سوختی و غیره کاربرد دارند. دیگر برنامه های کاربردی ممکن شامل حفاظت از تداخل فرکانس رادیویی برای دستگاههای الکترونیکی و پراکندگی الکتروستاتیک می باشند(۳-۱). کامپوزیت های گرافن با استفاده از روش های پردازش معمولی، می توانند به راحتی اجزای پیچیده ای را با حفظ عالی ساختار و خصوصیات بسازند. این امر برای استفاده کامل از خصوصیات مهم گرافن، اهمیت دارد. گرافن در مقایسه با نانولوله های کربن (CNTs), نسبت سطح به حجم بالاتری دارد که به علت عدم دسترسی سطح داخلی لوله CNT’s به مولکولهای پلیمر است. این باعث می شود که گرافن بطور بالقوه برای بهبود ویژگی های ماتریس های پلیمری مانند خصوصیات الکتریکی، مناسب تر و مطلوب تر باشد. بنابراین کامپوزیت های پلیمری که براساس گرافن هستند، مورد علاقه زمینه صنعتی و تحقیقات دانشگاهی هستند (۳). این فصل یک مرور کلی بر خصوصیات نانوکامپوزیت های پلیمری براساس گرافن را ارائه می دهد. شرح مختصری در مورد سنتز و خصوصیات گرافن نیز در این فصل گنجانده شده است. از آنجا که کتاب کنونی به کاربرد نانوکامپوزیت های گرافن در زمینه های مختلف الکترونیک قابل پوشش و انعطاف پذیر می پردازد، تصور می شود که این فصل، اهمیت بسیاری در هدایت الکتریکی پایه برای برنامه های کاربردی گرافن داشته باشد. پس از ارائه دادن یک طرح کلی در مورد خصوصیات الکتریکی کامپوزیت های پلیمر گرافن، عوامل مختلف موثر بر هدایت و رسانایی مانند نسبت ابعاد فیلر یا پرکننده، پراکندگی، اصلاح سطح گرافن و غیره نیز در اینجا مورد بحث قرار خواهند گرفت. پدیده آستانه نفوذ یا تراوش نیز به تصویر کشیده شده است و در نهایت این فصل با معرفی برخی از برنامه های کاربردی جدید به پایان می رسد. ۲٫ سنتز (ساخت) و خصوصیات ۲٫۱ سنتز گرافن گرافیت در هر دو شکل منابع طبیعی و منابع سنتزی به مقدار زیاد در دسترس و موجود است و نسبتا ارزان قیمت است (۴). مشتقات اصلی گرافیت شامل EG، اکسید گرافیت، نانوپلت های گرافن (GNP), اکسید گرافن (GO), اکسید گرافن کاهشی (RGO), و گرافن می باشند. از آنجا که ویژگی های الکترونیکی، فوتونیکی (نوری)، مکانیکی و حرارتی گرافن به تعداد لایه ها (گرافن های تک لایه (ML), دو لایه (BL), و سه لایه (TL) دارای اهمیت عملی هستند) و ساختار کریستالی آن بستگی دارد ، کنترل سنتز گرافن با لایه تعریف شده، نیز نسبتا قابل توجه است. روش پیلینیگ مکانیکی که با استفاده از آن گرافن برای اولین بار ساخته شد (۶)، برای مقیاس های صنعتی تولید مورد استفاده قرار نگرفت. مشتقات GO و RGO معمولا از طریق اکسیداسیون بر پایه محلول و عمل کاهش با استفاده از روش های حرارتی و شیمیایی سنتز می شوند، درحالیکه لایه های گرافن با ویژگی های انتقال الکترون برتر، همیشه با استفاده از روش های خشک مانند رسوب بخار شیمیایی (CVD) و جداسازی سطح سنتز می شوند (۱۳-۶). اگرچه بیش از ۹۵% گرافن ها بر فویل های مس رشد می کنند (۵)، اما این رشد همبافته نیست و بنابراین رشد کامل بر روی تمام سوبسترا همچنان به عنوان یک چالش یاقی مانده است. ثابت شده است که سطح نیکل (Ni(III بهترین سوبسترا برای رشد همبافته گرافن های همگن از نظر ساختاری هستند که به دلیل عدم تطابق شبکه های کوچک این سطح با گرافن و گرافیت های پیرولیتی محوری می باشد (۱۴). اما این روش به دلیل انحلال کربن در نیکل، زیان هایی دارد، و درنتیجه دستیابی به ضخامت در سراسر سوبسترا، مشکل است. اخیرا روش ساده جداسازی سطح (۱۷-۱۵) برای حل این مشکل و رشد همبافته گرافن بر روی فیلم نیکل (ضخامت تقریبا ۱۰۰ نانومتر) معرفی شده است (۱۸). اسپکتروسکوپی رامان و میکروسکوپی تونلی روبشی (STM) ، همگنی و یکنواختی لایه گرافن را بر تمام فیلم نیکل تایید می کنند (۲۱-۱۹).
گرافن، یک هیبرید sp2 تک لایه از اتم های کربن آرایش یافته در یک شبکه دو بعدی است که صنعت الکتریکی را به دلیل خصوصیات الکتریکی استثنایی اش، به خود جلب کرده است. یکی از امیدوارکننده ترین برنامه های کاربردی این ماده، بکار بردن آن در نانوکامپوزیت های پلیمر است که در آن رابط گرافن براساس مواد است و زنجیره های پلیمری که برای توسعه فناوری ترین دستگاهها، ادغام شده اند. این فصل، خصوصیات الکتریکی چنین گرافن هایی را که براساس نانوکامپوزیت های گرافن هستند را ارائه می دهد و همچنین اثر عوامل مختلف را بر هدایت الکتریکی آنها را مورد بحث قرار می دهد. گرافن قادر است که عایق را به یک انتقال دهنده رسانا که بارگذاری قابل توجه پایینی دارد توسط ایجاد مسیرهای تراوشی برای انتقال الکترون و ساخت پلیمرهای کامپوزیت که از نظر الکتریکی رسانا هستند، تبدیل کند. اثر شرایط پردازش، پراکندگی، تجمع، اصلاح و نسبت ابعاد گرافن بر هدایت الکتریکی نانوکمپوزیت های گرافن/پلیمر نیز مورد بررسی قرار گرفته اند. کلمات کلیدی: هدایت، پرکولاسیون یا تراوش، اصلاح پرکننده Filler، کسر حجمی، ساخت ۱٫مقدمه گرافن، یک ساختار تک اتمی ضخیم، دو بعدی از sp2باند شده به اتم های کربن است که زمینه ی تحقیقات بسیار زیادی را به علت خصوصیات الکتریکی، قدرت تقویت عالی، ویژگی های فیزیکی منحصر بفرد و خصوصیات مکانیکی بالا، به خود جلب کرده است. بنابراین تحقیقات اخیر، بر توسعه عملکرد بالا نانوکامپوزیت های پلیمر با بهره مندی از نانوتکنولوژی گرافن به منظور رسیدن به مواد کامپوزیت جدید برای طیف گسترده ای از زمینه های صنعتی متمرکز شده اند. گرافن بطور چشمگیری خصوصیات پلیمر ها براساس کامپوزیت ها را در بارگذاری بسیار پایین بهبود می بخشد و جذاب ترین ویژگی آن، هدایت سطحی بسیار بالایی است که منجر به تشکیل کامپوزیت های پلیمر رسانای متعددی می گردد. چنین نانوکامپوزیت های گرافن بطور گسترده ای در مواد آنتی استاتیک، حفاظت از تداخل الکترومغناطیسی (EMI)، حسگرهای شیمیایی، صفحات دو قطبی برای سلولهای سوختی و غیره کاربرد دارند. دیگر برنامه های کاربردی ممکن شامل حفاظت از تداخل فرکانس رادیویی برای دستگاههای الکترونیکی و پراکندگی الکتروستاتیک می باشند(۳-۱). کامپوزیت های گرافن با استفاده از روش های پردازش معمولی، می توانند به راحتی اجزای پیچیده ای را با حفظ عالی ساختار و خصوصیات بسازند. این امر برای استفاده کامل از خصوصیات مهم گرافن، اهمیت دارد. گرافن در مقایسه با نانولوله های کربن (CNTs), نسبت سطح به حجم بالاتری دارد که به علت عدم دسترسی سطح داخلی لوله CNT’s به مولکولهای پلیمر است. این باعث می شود که گرافن بطور بالقوه برای بهبود ویژگی های ماتریس های پلیمری مانند خصوصیات الکتریکی، مناسب تر و مطلوب تر باشد. بنابراین کامپوزیت های پلیمری که براساس گرافن هستند، مورد علاقه زمینه صنعتی و تحقیقات دانشگاهی هستند (۳). این فصل یک مرور کلی بر خصوصیات نانوکامپوزیت های پلیمری براساس گرافن را ارائه می دهد. شرح مختصری در مورد سنتز و خصوصیات گرافن نیز در این فصل گنجانده شده است. از آنجا که کتاب کنونی به کاربرد نانوکامپوزیت های گرافن در زمینه های مختلف الکترونیک قابل پوشش و انعطاف پذیر می پردازد، تصور می شود که این فصل، اهمیت بسیاری در هدایت الکتریکی پایه برای برنامه های کاربردی گرافن داشته باشد. پس از ارائه دادن یک طرح کلی در مورد خصوصیات الکتریکی کامپوزیت های پلیمر گرافن، عوامل مختلف موثر بر هدایت و رسانایی مانند نسبت ابعاد فیلر یا پرکننده، پراکندگی، اصلاح سطح گرافن و غیره نیز در اینجا مورد بحث قرار خواهند گرفت. پدیده آستانه نفوذ یا تراوش نیز به تصویر کشیده شده است و در نهایت این فصل با معرفی برخی از برنامه های کاربردی جدید به پایان می رسد. ۲٫ سنتز (ساخت) و خصوصیات ۲٫۱ سنتز گرافن گرافیت در هر دو شکل منابع طبیعی و منابع سنتزی به مقدار زیاد در دسترس و موجود است و نسبتا ارزان قیمت است (۴). مشتقات اصلی گرافیت شامل EG، اکسید گرافیت، نانوپلت های گرافن (GNP), اکسید گرافن (GO), اکسید گرافن کاهشی (RGO), و گرافن می باشند. از آنجا که ویژگی های الکترونیکی، فوتونیکی (نوری)، مکانیکی و حرارتی گرافن به تعداد لایه ها (گرافن های تک لایه (ML), دو لایه (BL), و سه لایه (TL) دارای اهمیت عملی هستند) و ساختار کریستالی آن بستگی دارد ، کنترل سنتز گرافن با لایه تعریف شده، نیز نسبتا قابل توجه است. روش پیلینیگ مکانیکی که با استفاده از آن گرافن برای اولین بار ساخته شد (۶)، برای مقیاس های صنعتی تولید مورد استفاده قرار نگرفت. مشتقات GO و RGO معمولا از طریق اکسیداسیون بر پایه محلول و عمل کاهش با استفاده از روش های حرارتی و شیمیایی سنتز می شوند، درحالیکه لایه های گرافن با ویژگی های انتقال الکترون برتر، همیشه با استفاده از روش های خشک مانند رسوب بخار شیمیایی (CVD) و جداسازی سطح سنتز می شوند (۱۳-۶). اگرچه بیش از ۹۵% گرافن ها بر فویل های مس رشد می کنند (۵)، اما این رشد همبافته نیست و بنابراین رشد کامل بر روی تمام سوبسترا همچنان به عنوان یک چالش یاقی مانده است. ثابت شده است که سطح نیکل (Ni(III بهترین سوبسترا برای رشد همبافته گرافن های همگن از نظر ساختاری هستند که به دلیل عدم تطابق شبکه های کوچک این سطح با گرافن و گرافیت های پیرولیتی محوری می باشد (۱۴). اما این روش به دلیل انحلال کربن در نیکل، زیان هایی دارد، و درنتیجه دستیابی به ضخامت در سراسر سوبسترا، مشکل است. اخیرا روش ساده جداسازی سطح (۱۷-۱۵) برای حل این مشکل و رشد همبافته گرافن بر روی فیلم نیکل (ضخامت تقریبا ۱۰۰ نانومتر) معرفی شده است (۱۸). اسپکتروسکوپی رامان و میکروسکوپی تونلی روبشی (STM) ، همگنی و یکنواختی لایه گرافن را بر تمام فیلم نیکل تایید می کنند (۲۱-۱۹).
Description
Graphene, a monolayer of sp2 hybridized carbon atoms arranged in a two dimensional lattice has attracted electronic industrial interest due to its exceptional electrical properties. One of the most promising applications of this material is in polymer nanocomposites in which the interface of graphene based materials and polymer chains merge to develop the most technologically promising devices. This chapter presents the electrical properties of such graphene based polymer nanocomposites and also discusses the effect of various factors on their electrical conductivity. Graphene enables the insulator to conductor transition at significantly lower loading by providing percolated pathways for electron transfer and making the polymers composite electrically conductive. The effect of processing conditions, dispersion, aggregation, modification and aspect ratio of graphene on the electrical conductivity of the graphene/polymer nanocomposites is conferred.
