بخشی از مقاله
چکیده
کاربرد بالقوه نانو لوله های کربنی درحسگرها و دزیمترهای تابشی، ضرورت بررسی رفتار الکتریکی نانوکامپوزیتهای مذکور را در دماهای مختلف مسجل می سازد. در این پژوهش با استفاده از مدلهای VRH و TAH بستگی دمایی رسانندگی الکتریکی نانولوله های کربنی و پلی اتیلن برای کامپوزیت پلی اتیلن /نانولولهکربن - PE-CNT - در محدوده دمایی 293.15 410.15K ، یعنی از دمای اتاق تا نقطه ذوب پلی اتیلن در کسرهای وزنی مختلف از CNTs به روش المان محدود شبیه سازی شده است. نتایج حاصل از شبیه سازی با داده های تجربی مقایسه شده که در گستره دمایی ذکر شده همخوانی قابل قبولی را نشان می دهد.
مقدمه
نانولوله های کربن - CNTs - به خاطر دارا بودن خواص منحصر به فردی نظیر ساختار اتمی خاص و نسبت طول به قطر زیاد، از طریق ترکیب با بستر های پلیمری، ضمن تشکیل کامپوزیتهای پلیمر-نانولوله کربن، منجر به تشکیل شبکه های سه بعدی هادی در این مواد می شوند. زمانی که مقدار کسر حجمی یا وزنی CNTs در بستر پلیمری از یک حد بحرانی تجاوز کند، رسانندگی الکتریکی کامپوزیتدفعتاً افرایش می یابد که این مقدار بحرانی را آستانه گذر1 مینامند. کاربرد بالقوه CNTs درحسگرها و دزیمترهای تابشی، ضرورت مطالعه رفتار الکتریکی نانوکامپوزیتهای مذکور را در دماهای مختلف مسجل می سازد.[1]
افزون بر دما، عوامل مختلفی بر خواص الکتریکی نانوکامپوزیتهای مذکور اثر گذارند؛ از جمله نسبت ابعادی 2 نانولولههای کربن، نحوه پراکنش نانو لوله ها، درصد وزنی نانولولهها در بستر پلیمری و نوع پلیمر. رسانندگی الکتریکی پلیمرها و CNTs در برابر تغییرات دمایی دستخوش تغییر می شوند که در مورد هر کدام از این مواد، وابستگی رسانندگی الکتریکی به دما دارای شکل متفاوتی است که در شبیهسازی بایستی مد نظر قرار گیرند.
افزودن نانو لولههای کربنی به بستر پلیمر منجر به تغییر ثابت دیالکتریک ماده پلیمری میشود. در صورتی که چیدمانCNTs در بستر پلیمری به صورت همراستا باشند، ناحیه خازنی در کل حجم دیالکتریک غالب خواهد بود که متعاقب آن گذردهی الکتریکی مؤثر کامپوزیتPE-CNT و ظرفیت الکتریکی آن افزایش خواهد یافت؛ در حالی که توزیع پراکنده CNTs در بستر پلیمری، با توجه به افزایش احتمال پدیده گذر منجر به غالب شدن ناحیه مقاومتی در دی الکتریک و افزایش چگالی جریان خواهد شد.
در ناحیه مقاومتی شارش بارهای الکتریکی در دیالکتریک از طریق تماس CNTs با یکدیگر خواهد بود که این عمل از طریق تونلزنی کوانتومی یا جهش الکترونها بین نانولولههایی که به اندازه کافی به یکدیگر نزدیکند، صورت میگیرد.[2] در این کار تأثیرات مربوط به تغییرات دما بر روی رسانندگی الکتریکی نانوکامپوزیتPE-CNT به روش المان محدود شبیهسازی شده و با نتایج تجربی مقایسه می شود.
مواد و روشها
با استفاده از روش المان محدود از طریق نرم افزار COMSOL به یافتن خواص الکتریکی نانو کامپوزیتPE-CNT در دماهای مختلف و در کسرهای وزنی قبل و پس از آستانه گذر پرداخته خواهد شد. معادلات ماکسول از جمله معادلات اساسی در الکترومغناطیس محسوب می شوند.
نتایج و بحث
نتایج حاصل از اعمال مدلهای VRH و TAH به ترتیب برای محاسبه رسانندگی الکتریکی نانو لوله کربن و پلی اتیلن در کامپوزیتPE-CNT در دماهای مختلف برای کسرهای وزنی پایین تر از آستانه گذر در شکل2 نمایش داده شده است. با افزایش دما احتمال جهش الکترون از یک حالت جایگزیده به حالتی دیگر افزایش یافته و رسانندگی الکتریکی کامپوزیت PE-CNT افزایش می یابد. همچنین در شکل3 رسانندگی الکتریکی کامپوزیتPE-CNT برای کسر وزنی بالاتر از آستانه گذر نمایش داده شده است.
نتایج حاصل از این شبیه سازی همخوانی قابل قبولی را با نتایج تجربی J. Keesu نشان میدهد.[8] در کار تجربی Keesu و همکارانش، بستگی دمایی مقاومت ویژه الکتریکی - - T نانوکامپوزیتهایPE-CNT به عنوان تابعی از درصد وزنی نانو لوله های کربن در نمونه هایی با شرایط بلورینگی متفاوت اندازه گیری شد. در اندازه گیری هایی که صورت گرفت، نمونه هایی با درصد وزنیCNT کمتر از یک درصد، تحت آهنگ سرد سازی متفاوت، از نقطه ذوب تا دمای اتاق، مورد مطالعه قرار گرفت.
