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考虑隧道效应的石墨烯增强纳米复合材料非线性电导率的多尺度建模。 (英语) Zbl 1415.82018年

摘要:隧道效应是解释石墨烯增强聚合物基纳米复合材料表面大电导率和非线性电学行为的一种可能机制,本文提出了一个数值模拟框架,以评估石墨烯片材增强聚合物复合材料的有效导电性,其中考虑了电隧道效应,石墨烯片剂之间的导电距离为纳米。我们引入非线性有限元公式和数值方法来模拟隧道效应导电模型在紧密石墨烯片之间的聚合物基体中引入的非局部和非线性效应。此外,为了避免网格化石墨烯片的厚度,并考虑到其很高的纵横比,采用了高导电表面模型。计算的有效电导率是在含有任意分布石墨烯片的代表性体积元素上进行评估的。结果显示,趋势和渗流阈值与现有实验结果在定性上一致。

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参考文献:

[1] 李强。;西达拉玛雅;Kim,N.H。;Yoo,G.-H。;Lee,J.H.,石墨纳米纤维增强高密度聚乙烯/炭黑纳米复合材料的正温度系数特性和结构,复合材料,B部分,工程,40,3,218-224(2009)
[2] 斯皮塔尔斯基,Z。;塔西斯,D。;Papagelis,K。;Galiotis,C.,《碳纳米管聚合物复合材料:化学、加工、机械和电气性能》,Prog。Polym公司。科学。,35, 3, 357-401 (2010)
[3] 公园,O.-K。;Jeevananda,T。;Kim,N.H。;Kim,S.I。;Lee,J.H.,表面改性对碳纳米管/聚苯胺复合材料分散性和导电性的影响,Scr。材料。,60, 7, 551-554 (2009)
[4] 蒂贝茨,G.G。;莱克,M.L。;斯特朗,K.L。;Rice,B.P.,《气相生长碳纳米纤维/聚合物复合材料的制备和性能综述》,Compos。科学。技术。,67, 1709-1718 (2007)
[5] 李伟(Li,W.)。;Dichiara,A。;Bai,J.,碳纳米管-石墨烯纳米板复合物作为环氧复合材料中的高性能多功能增强材料,Compos。科学。技术。,74, 221-227 (2013)
[6] Xu,Y。;Wang,Y。;梁,J。;黄,Y。;马云(Ma,Y.)。;万,X。;Chen,Y.,石墨烯和聚(3,4-乙基二氧噻吩)的一种具有高导电性、柔韧性和透明度的混合材料,《纳米研究》,2,4,343-348(2009)
[7] 杜,J。;Cheng,H.,石墨烯/聚合物复合材料的制造、性能和用途,Macromol。化学。物理。,213, 1060-1077 (2012)
[8] Woltornist,S.J。;卡里略,J.-M.Y。;Xu,T.O。;Dobrynin,A.V。;Adamson,D.H.,《聚合物/纯石墨烯基复合材料:从乳液到强导电泡沫》,《大分子》,48,3,687-693(2015)
[9] 施坦因,M。;纳迪夫,R。;布扎格罗,M。;卡希尔,K。;Regev,O.,《导热石墨烯聚合物复合材料:尺寸、渗流和协同效应》,《化学》。材料。,27, 6, 2100-2106 (2015)
[10] 赵,H。;Bai,J.,具有改进的导电网络结构的高灵敏度压阻石墨纳米板碳纳米管杂化物/聚二甲基硅酮复合材料,ACS应用。马特。接口,7,18,9652-9659(2015)
[11] 魏,T。;罗,G。;风扇,Z。;郑,C。;严,J。;姚,C。;李伟(Li,W.)。;张,C.,使用原位还原萃取分散制备石墨烯纳米片/聚合物复合材料,碳,47,9,2296-2299(2009)
[12] Wang,T。;梁,G。;袁,L。;Gu,A.,Unique杂交石墨烯及其具有增强频率稳定性、低介电损耗和渗流阈值的高介电常数复合材料,Carbon,77,920-932(2014)
[13] Vadukumply,S。;保罗·J。;马汉塔,N。;Valiyaveettil,S.,《具有高机械强度和热稳定性的柔性导电石墨烯/聚氯乙烯复合薄膜》,Carbon,49,1,198-205(2011)
[14] 庞,H。;Chen,T。;张,G。;曾,B。;Li,Z.-M.,一种具有极低渗透阈值的导电聚合物/石墨烯复合材料,Mater。莱特。,64, 20, 2226-2229 (2010)
[15] Bauhofer,W。;Kovacs,J.Z.,《碳纳米管聚合物复合材料中电渗流的回顾和分析》,Compos。科学。技术。,69, 1486-1498 (2009)
[16] 王,J。;于斯。;罗,S。;Chu,B。;Sun,R。;Wong,C.-P.,碳纳米管填充聚合物复合材料非线性i-v行为的研究,材料。科学。工程B,206,55-60(2016)
[17] 胡春华。;Liu,C.H。;Chen,L.Z。;Peng,Y.C。;Fan,S.S.,多壁碳纳米管网络/聚二甲基硅氧烷复合材料的电阻-压力敏感性和机理研究,应用。物理学。莱特。,93,3,第033101条pp.(2016)
[18] 桑德勒,J。;柯克·J。;Kinloch,I。;沙弗,M。;Windle,A.,《碳纳米管-环氧树脂复合材料中的超低电渗阈值》,《聚合物》,44,19,5893-5899(2003),纪念伊恩·沃德75岁生日
[19] He,F。;Lau,S。;Chan,H.L.公司。;Fan,J.,基于聚偏氟乙烯和膨胀石墨纳米板的纳米复合材料的高介电常数和低渗透阈值,高级材料。,21, 6, 710-715 (2009)
[20] 阿拉维,A。;Hoa,S。;Pugh,M.,《碳纳米纤维/环氧树脂复合材料的电子传输特性和微观结构》,Compos。科学。技术。,68, 2, 410-416 (2008)
[21] Martin-Galego,M。;伯纳尔,M。;赫尔南德斯,M。;Verdejo,R。;Lopez-Manchado,M.,石墨烯和碳纳米管填充环氧树脂纳米复合材料中填料渗流和机械性能的比较,欧洲聚合物。J.,49,6,1347-1353(2013)
[22] 曾,X。;Xu,X。;科瓦列夫,P.M.S.E。;Baudot,C。;马修斯,N。;赵毅,碳纳米管/聚合物纳米复合材料的电渗流特性,J.Phys。化学。C、 115、44、21685-21690(2011)
[23] Gojny,F.H。;Wichmann,M.H。;费德勒,B。;Kinloch,I.A。;Bauhofer,W。;温德尔,A.H。;Schulte,K.,碳纳米管/环氧树脂复合材料中导电和导热机制的评估和识别,聚合物,47,6,2036-2045(2006)
[24] 李,J。;马,P。;周,W。;收件人:C。;唐,B。;Kim,J.-K.,碳纳米管的渗流阈值、分散状态和长径比之间的相关性,高级功能。材料。,17, 16, 3207-3215 (2007)
[25] 杜,F。;费舍尔,J.E。;Winey,K.I.,《纳米管排列对碳纳米管/聚合物复合材料中渗透导电性的影响》,Phys。B版,72、12,第121404条,pp.(2005)
[26] 胡,N。;Karube,Y。;严,C。;马萨诸塞州。;Fukunaga,H.,聚合物/碳纳米管纳米复合应变传感器中的隧道效应,材料学报。,56, 13, 2929-2936 (2008)
[27] Bao,W.S。;梅吉德,S.A。;Zhu,Z.H。;Weng,G.J.,隧道电阻及其对碳纳米管纳米复合材料导电性的影响,J.Appl。物理。,111,第093726条pp.(2016)
[28] Simmons,J.G.,由薄绝缘膜分隔的不同电极之间的电子隧道效应,J.Appl。物理。,34, 9, 2581-2590 (1963) ·Zbl 0113.21401号
[29] Buldum,A。;Lu,J.P.,碳纳米管之间的接触电阻,物理学。B版,63,第161403条,pp.(2001)
[30] Wang,Y。;Shan,J.W。;Weng,G.J.,石墨烯基纳米复合材料的渗透阈值和导电性,填料团聚和界面隧道,J.Appl。物理。,第118、6条,第065101页(2016年)
[31] Yvonnet,J。;他,Q.C。;Toulemonde,C.,含有任意形状夹杂物和高导电界面的复合材料有效电导率的数值模拟,Compos。科学。技术。,68, 13, 2818-2825 (2008)
[32] 哈曼,C。;Burghardt,H。;Frauenheim,T.,固体中的导电机制(1988),Vch Pub
[33] Chiu,F.-C.,《介电薄膜导电机理综述》,马特。科学。工程,1-18(2014)
[34] Simmons,J.G.,《电介质薄膜中的导电》,J.Phys。D、 申请。物理。,4, 5, 613 (1971)
[35] Maity,N.P。;梅蒂,R。;塔帕,R。;Baishya,S.,基于超薄(HfO_2)高k介电材料的{MOS}器件的隧穿电流密度模型,超晶格微结构。,95, 24-32 (2016)
[36] Krishnan,S。;斯特凡纳科斯,E。;Bhansali,S.,《介质厚度和接触面积对薄膜金属-绝缘金属二极管电流-电压特性的影响》,《薄膜固体》,516,8,2244-2250(2008)
[37] 顾S。;He,Q.C.,耦合多场现象的界面不连续关系及其在薄界面作为非完美界面建模中的应用,J.Mech。物理学。固体,59,1413-1426(2011)·Zbl 1270.74037号
[38] Geers,M。;库兹涅佐娃,V。;Brekelmans,W.,《多尺度计算同质化:趋势与挑战》,J.Comput。申请。数学。,7, 2175-2182 (2010) ·Zbl 1402.74107号
[39] Geers,M。;Yvonnet,J.,微结构-性能关系的多尺度建模,Mater。Res.Soc.公牛。,41, 08, 610-616 (2016)
[40] Geuzaine,C。;Remacle,J.-F.,Gmsh:一个具有内置预处理和后处理设施的三维有限元网格生成器,国际期刊Numer。方法工程,79,11,1309-1331(2009)·Zbl 1176.74181号
[41] 斯坦科维奇,S。;Dikin,D.A。;多梅特,G.H.B。;Kohlhaas,K.M。;Zimney,E.J。;斯塔克,E.A。;Piner,R.D。;Nguyen,S.T。;Ruoff,R.S.,石墨基复合材料,《自然》,4427100282-286(2006)
[42] Krauth,W.,《统计力学:算法和计算》,第13卷(2006年),牛津大学出版社:牛津大学出版社·Zbl 1144.82002号
[43] 拉赫曼,R。;Servati,P.,管间距离和排列对纳米管/聚合物复合膜的隧道电阻和应变敏感性的影响,《纳米技术》,23,5,第055703页,(2012)
[44] Tkalya,E。;Ghislandi,M。;Otten,R。;Lotya,M。;Alekseev,A。;范德肖特,P。;科尔曼,J。;de With,G。;Koning,C.,石墨烯分散状态对导电石墨烯/聚苯乙烯纳米复合材料渗流阈值影响的实验和理论研究,ACS应用。马特。接口,6,17,15113-15121(2014)
[45] 哈欣,Z。;Shtrikman,S.,《多相材料弹性行为理论的变分方法》,J.Mech。物理学。固体,11,2,127-140(1963)·Zbl 0108.36902号
[46] Weng,G.J.,Mori-Tanaka理论与Hashin-Shtrikman Walpole界之间的理论联系,国际工程科学杂志。,28, 11, 1111-1120 (1990) ·Zbl 0719.73004号
[47] Weng,G.J.,《增强固体的一些弹性特性,特别是含有球形夹杂物的各向同性固体,国际工程科学杂志》。,22, 7, 845-856 (1984) ·兹伯利0556.73074
[48] 卡斯塔涅达,P.P。;Willis,J.R.,空间分布对复合材料和裂纹介质有效行为的影响,J.Mech。物理学。固体,43,12191951(1995)·Zbl 0919.73061号
[49] 潘,Y。;翁·G。;梅吉德,S。;Bao,W。;朱,Z.-H。;Hamouda,A.,含有随机取向椭球夹杂物的两相复合材料的渗流阈值和电导率,J.Appl。物理。,第110、12条,第123715页(2011年)
[50] 张,H.-B。;郑伟国。;严奇。;Yang,Y。;王建伟。;卢,Z.-H。;季国勇(Ji,G.-Y.)。;Yu,Z.-Z.,通过熔融复合制备的导电聚对苯二甲酸乙二醇酯/石墨烯纳米复合材料,聚合物,51,5,1191-1196(2010)
[51] Kim,S.Y。;Noh,Y.J。;Yu,J.,通过应用考虑多个非均质包裹体的改进微观力学模型预测和实验验证电渗流,Compos。科学。技术。,106, 156-162 (2015)
[52] Ayachit,U.,《ParaView指南:并行可视化应用程序》(The ParaView Guide:A Parallel Visualization Application)(2015年),Kitware,Inc.:Kitware,Inc.美国
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