Моделювання перколяційної поведінки теплопровідності у полімерних нанокомпозитах, які містять вуглецеві нанотрубки

Е.А. Лисенков, д-р фіз.-мат. наук
Чорноморський національний університет ім. Петра Могили
Україна, 54003, Миколаїв, вул. 68 десантників, 10
тел. (0512) 76 55 72, е-mail: ealysenkov@ukr.net

Èlektron. model. 2022, 44(5):25-35

https://doi.org/10.15407/emodel.44.05.025

АНОТАЦІЯ

Надано огляд найбільш коректних математичних моделей для опису теплопровідності систем полімер—вуглецеві нанотрубки (ВНТ), для яких властива перколяційна пове­дінка. Показано, що модель Ландауера, в якій не враховано наявність перколяціного переходу при низьких концентраціях наповнювача, погано узгоджується з експериментом. Сигмоїдальна модель добре описує експериментальні дані, проте є суто емпіричною. Модель Чжана виявилася некоректною для такого типу систем, адже призначена для систем із високим вмістом наповнювача. Скейлінгова модель показала гарну відповідність експериментальним даним для систем полімер — ВНТ з низьким порогом перколяції.

КЛЮЧОВІ СЛОВА:

теплопровідність, вуглецеві нанотрубки, моделі теплопровіднос­ті, полімерні нанокомпозити, перколяціна поведінка.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

  1. Chena H., Ginzburg V.V., Yang J. et. al. Thermal conductivity of polymer-based composites: Fundamentals and applications// Progress in Polymer Science, 2016, 59, рр. 41—85.
  2. Han Z., Fina A. Thermal Conductivity of Carbon Nanotubes and their Polymer Nanocomposites: A Review // Ibid, 2011, 36, p. 914—944.
  3. Hu J., Huang Y., Yao Y. et. al. A Polymer Composite with Improved Thermal Conductivity by Constructing Hierarchically Ordered Three-Dimensional Interconnected Network of BN// ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, № 15, рр. 13544—13553.
  4. Huxtable S.T., Cahill D.G., Shenogin S. et. al. Interfacial heat flow in carbon nanotube suspensions// Nature Materials, 2003, 2, № 11, p. 731—734.
  5. Aalilija A., Gandin Ch.-A., Hachem E. A simple and efficient numerical model for thermal contact resistance based on diffuse interface immersed boundary method// International Journal of Thermal Sciences, 2021, 166, p. 106817.
  6. He C., Xu J. Finite element analysis of the thermal conductivity and the specific heat of Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP) composites. International Conference on Artificial Intelligence and Electromechanical Automation (AIEA), 2020, рр. 771—774.
  7. Fiedler Th., Pesetskaya E., Öchsner A., Grácio J. Numerical and analytical calculation of the orthotropic heat transfer properties of fibre reinforced materials // Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 2005, 36, № 10, рр. 602—607.
  8. Kwon S.Y., Kwon I.M., Kim Y.-G. et al. A large increase in the thermal conductivity of carbon nanotube/polymer composites produced by percolation phenomena // Carbon, 2013, 55, p.285—290.
  9. Kim B.-W., Park S.-H., Kapadia R.S., Bandaru P.R. Evidence of percolation related power law behavior in the thermal conductivity of nanotube/polymer composites //Applied Physics Lett., 2013, 102, p. 243105.
  10. Zhang G., Xia Y., Wang H. et al. A Percolation Model of Thermal Conductivity for Filled Polymer Composites // Compos. Mater., 2010, Vol. 44, № 8, p. 963―970.
  11. Lysenkov Е.А., Dinzhos R.V. Theoretical analysis of thermal conductivity of polymer systems filled with carbon nanotubes// Journal of Nano- and Electronic Physics, 2019, Vol. 11, № 4, р. 04004.
  12. Lysenkov Е.А. Simulation of thermal conductivity of polymer nanocomposites, using models based on thermal-electrical analogy// Nanosistemi, Nanomateriali, Nanotehnologii, 2019, 17, № 4, p. 761—772.
  13. Landauer R. The Electrical Resistance of Binary Metallic Mixtures// Journal of Applied Physics, 1952, 23, № 7, рр. 779—784.
  14. Tjørve E. Shapes and functions of species–area curves: a review of possible models // Biogeography, 2003, Vol. 30, № 6, p. 827—835.
  15. Taherian Development of an Equation to Model Electrical Conductivity of Polymer-Based Carbon Nanocomposites // ECS Journal of Solid State Science and Technology, 2014, Vol. 3, № 6, p. M26.
  16. Sun K., Zhang Z.D., Qian L. et al Dual percolation behaviors of electrical and thermal conductivity in metal-ceramic composites// Applied Physics Lett., 2016, Vol. 108, p. 061903.
  17. Lysenkov Е.A. and Klepko V.V. Characteristic features of the thermophysical properties of a system based on polyethylene oxide and carbon nanotubes// Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2015, Vol. 88, № 4, рр. 1008—1014.
  18. Forero-Sandoval I., Cervantes-Alvarez F., Ramirez-Rincon J. et. al. Percolation threshold of the thermal, electrical and optical properties of carbonyl-iron microcomposites // Applied Composite Materials, 2021, Vol. 28, № 2, pp. 447—454.

ЛИСЕНКОВ Едуард Анатолійович, д-р фіз.-мат. наук, професор, професор кафедри ін­телектуальних інформаційних систем Чорноморського національного університету ім. Петра Могили. У 2008 г. закінчив Миколаївський держуніверситет ім. В.О. Сухом­линського. Область наукових досліджень — структура, електричні та теплофізичні властивості полімерних нанокомпозитів, процеси перколяції у нанонаповнених полімер­них системах.

Повний текст: PDF