Исследование изменения электрического сопротивления эластомеров, модифицированных углеродными нанотрубками, при сжатии, растяжении и кручении

Одним из перспективных направлений материаловедения является разработка «умных» материалов, обладающих высоким уровнем как конструкционных, так и функциональных характеристик. Измерение электрического сопротивления полимеров при постоянном токе, в частности эластомеров, модифицированных углеродными нанотрубками (УНТ), при испытаниях на сжатие, растяжение, кручение является актуальным в электротехнике, машиностроении, авиакосмической отрасли. Деформация эластомеров при разных видах испытаний приводит к деструкции макромолекул и структурированию материала в целом. Поэтому большое значение приобретает исследование влияния модифицирующего наполнителя УНТ на свойства композиции на основе эластомеров. При сжатии, растяжении или кручении наномодифицированных эластомеров наряду с взаимным перемещением фрагментов макромолекул и макромолекулярных агрегатов происходит также перемещение частиц модификатора, который в целом определяет транспорт электронов в полученной структуре, а также влияет на физикомеханические параметры композиционного материала. Для проведения исследований были изготовлены композиции на основе эластомеров с различным процентным содержанием модифицирующего наполнителя УНТ. Для исследования и выявления соответствующих зависимостей была изготовлена измерительная система, позволяющая определять значения электрического сопротивления при механических нагрузках на композиционный материал с различным содержанием УНТ в составе полимерной матрицы. На основании полученных результатов было установлено, что электрическое сопротивление композитов на основе эластомеров, модифицированных 1–2,5 мас.% УНТ, на участке сжатия от 0 до 100 Н уменьшается. На участке действия силы сжатия на композит 100–350 Н электрическое сопротивление остается неизменным. При растяжении композитов на основе эластомеров, модифицированных 2–2,5 мас.% УНТ, на 30–40% электрическое сопротивление увеличивалось от 5·10³ до 1,9·10⁷ Ом.

1. Махсидов В. В., Резников В. А., Мухаметов Р. Р., Дориомедов М. С. Интеллектуальные полимерные материалы и их применение в аэрокосмической отрасли // Вопросы материаловедения. – 2017. – №3 (91). – С. 110–120.

2. Фарафонова О. В., Шукшина Е. И., Ермолаева Т. Н. Применение многостенных углеродных нанотрубок для увеличения чувствительности определения фармацевтических препаратов с помощью пьезоэлектрических иммуносенсоров // Биотехнология: состояние и перспективы развития. – Изд-во ООО «РЭД ГРУПП», 2017. – С. 353–354.

3. Анализ распределения электрофизических и фотоэлектрических свойств нанокомпозитных полимеров модифицированным зондом Кельвина / К. В. Пантелеев и др. // Приборы и методы измерений. – 2017. – Т. 8, №. 4. – С. 386–397. DOI: 10.21122/2220-9506-2017-8-4-386-397

4. Effect of carbon nanotube and functionalized liquid rubber on mechanical and electrical properties of epoxy adhesives for aircraft structures / L. Vertuccio, L. Guadango, et al. // Composites Part B. – 2017. – V. 129. – P. 1–10.

5. Electrical conductivity of chemically modified multiwalled carbon nanotube/epoxy composites / Y.J. Ki m, T.S. Shin, et al. // Carbon. – 2005. – V. 43. – P. 23–30.

6. Electrically conductive adhesives based on thermoplastic polyurethane filled with silver flake and carbon nanotubes / J. Luo, Z. Cheng, et al. // Composites science and technology. – 2016. – V. 129. – P. 191– 197.

7. The effect of multi-wall carbon nanotube morphology on electrical and mechanical properties of polyurethane nanocomposites / J. Sethi, E. Sarlin, et al. // Composites: Part A. – 2017. – V. 102, No 1–24. – P. 305–313.

8. Positive temperature coefficient characteristic and structure of graphite nanofibers reinforced high density polyethylene/carbon black nanocomposites / Qi Li , Siddaramaiah, et al. // Composites part B. – 2009. – V. 40. – P. 218–224.

9. Billias M. G., Borders M. E. Electrically conductive structural adhesive // Google Patents; 1984. URL: https://patents.google.com/patent/US4428867

10. Kymakis E., Amaratunga G. A. Electrical properties of single-wall carbon nanotube-polymer composite films // Journal of Applied Physics. – 2006. – V. 99(8). – P. 084302.

11. Strength and stiffness of adhesively bonded GFRP beam-column moment resisting connections / F. Ascione, M. La mberti, et al. // Compos Struct. – 2017. – V. 160. – P. 1248–1257.

12. Toughening of Epoxy Adhesives by Combined Interaction of Carbon Nanotubes and Silsesquioxanes / G. Barra, L. Vertuccio, et al. // Materials. – 2017. – V. 10. – P. 1–18.

13. The Effect of Carbon Nanotubes on the Fracture Toughness and Fatigue Performance of a Thermosetting Epoxy Polymer / T. H. Hsieh, A. J. Kinloch, et al. // Journal of Materials Science. – 2011. – V. 46. – P. 7525–7535.

14. Bezryadin A, Verschueren A, Tans S, Dekker C () Multiprobe transport experiments on individual single-wall carbon nanotubes. Physical Review Letters. – 1998. – V. 80. – P. 4036–4039

15. Nardelli M. B., Bernholc J. Mechanical deformations and coherent transport in carbon nanotubes // Physical review. B, Condensed matter. – 1999, December, N 60(24). – P. 16338–16341.

16. Peng S., Cho K. Chemical control of nanotube electronics // Nanotechnology. – 2000. – V. 11. – P. 57–60.

17. Reversible electromechanical characteristics of carbon nanotubes under local-probe manipulation / T.W. To mbler, C. Zhou, et al. // Nature. – 2000. – V. 405. – P. 769–772.

18. The influence of graphene-like structures on the effect of temperature self-regulation in an electroconducting polymer material // Shchegolkov A. et al. // AIP Conference Proceedings. – AIP Publishing, 2018. – V. 2041. – N 1. – P. 020025.

19. Ягубов В. С., Щегольков А. В. Саморегулируемый электронагреватель на основе эластомера, модифицированный многослойными углеродными нанотрубками // Вестник ВГУИТ. – 2018. – Т. 80. № 3. – С. 341–345. Doi:10.20914/2310-1202-2018-3-341-345.

20. Graphene-based surface heater for de-icing applications / N. Kari m et al. // RSC Advances. – 2018. – V. 8, N 30. – P. 16815–16823.

21. УНТ серии «Таунит» // ООО "НаноТехЦентр" URL: http://nanotc.ru/producrions/87-cnm-taunit (дата обращения: 12.12.2018).

22. Characterisation of graphite nanoplatelets and the physical properties of graphite nanoplatelet/silicone composites for thermal interface applications / M. A. Raza, A. Westwood, et al. // Carbon. – 2011. – V. 49. – P. 4269–4279.

23. Carbon nanotubes based high temperature vulcanized silicone rubber nanocomposite with excellent elasticity and electrical properties / S. Shang, L. Gan, et al. // Composites. Part A. – 2014. – V. 66. – P. 135– 141.

24. Yagubov V., Stolyarov R., Memetov N., Blokhin A., Tkachev A., Gorshkova A., Moskova M. Nanomodified electroconducting glue compositions based on polychloroprene rubber // 2D Systems of the Strong Correlated Electrons: From Fundamental Research to Practical Applications AIP Conf. Proc. 2041.2018 020026-1–020026-4; https://doi.org/10.1063/1.5079357.