Electrical and Thermal Conductivity of Ternary Composites Graphite Nanoplatelets/TiO2/Epoxy

Abstract

Проведено дослідження електричних та теплових властивостей композитних матеріалів (КМ) на основі епоксидної смоли Л285 і гібридного наповнювача графітові нанопластинки/оксид титану (ГНП/TiO2). Експериментальне дослідження включало вимірювання електричного опору на постійному струмі в інтервалі температур 77-293 K і теплопровідності (в інтервалі 150-425 K) для таких потрійних композитів, що містили від 0 до 5 ваг. % ГНП і 35 ваг. % ультрадисперсних (розмір ~ 130 нм) частинок TiO2. Спостерігалося зниження порогу перколяції і підвищення електропровідності для потрійних КМ ГНП/TiO2/епоксидна смола у порівнянні із бінарними КМ ГНП/епоксидна смола. Було встановлено, що збільшення вмісту високоелектропроводних частинок ГНП в композиті призводить до збільшення електропровідності і зміни температурного коефіцієнта опору (ТКО) з від’ємного до злегка додатнього в інтервалі температур 100-293 K. Від’ємний ТКО пов'язаний із стрибковим механізмом електропровідності, і для високоомного композиту 2 ваг. % ГНП/TiO2/епоксидна смола була проведена оцінка енергії активації. Додатній ТКО для композиту 5 ваг. % ГНП/TiO2/епоксидна смола може бути пояснений змінами у тунельному електронному транспорті при тепловому розширенні епоксидної матриці. Дослідження теплопровідності КМ ГНП/TiO2/епоксидна смола показало, що додавання частинок TiO2 в композити ГНП/епоксидна смола не впливає на величину теплопровідності. Зміни теплопровідності при збільшенні вмісту частинок ГНП в потрійних КМ розглядалися в рамках модифікованої моделі Нільсена і визначалася ефективна теплопровідність кожної з фаз наповнювачів. Обговорювалася також роль теплового опору на міжфазних границях і контактного теплового опору між частинками наповнювача у визначенні теплопровідності композиту.

The investigation of the electrical and thermal properties of composite materials (CMs) based on epoxy resin L285 and hybrid filler graphite nanoplatelets/titanium oxide particles (GNP/TiO2) has been performed. The experimental study involved measuring direct current (DC) resistivity in the temperature range 77- 293 K and thermal conductivity (within 150-425 K range) of such ternary composite with 0-5 wt. % content of GNP particles and 35 wt. % of TiO2 ultra-disperse (~130 nm) particles. The decrease of the percolation threshold and enhanced electrical conductivity for the ternary GNP/TiO2/epoxy CMs compared with binary GNP/epoxy CMs were observed. It was found that the increase of highly conductive GNP content in the composite leads to the increase of electrical conductivity and change in the temperature coefficient of resistance (TCR) from negative to slightly positive in the temperature range 100-293 K. The negative TCR was related to hopping mechanism of conductivity, and the activation energy for low-conductive 2 wt. % GNP/TiO2/epoxy composite was estimated. The positive TCR for 5 wt. % GNP/TiO2/epoxy composite may be explained by the changes in tunnel electronic transport under thermal expansion of epoxy matrix. The investigation of thermal conductivity of GNP/TiO2/epoxy CMs has shown that addition of TiO2 particles into GNP/epoxy composites doesn’t influence the value of thermal conductivity. The changes of the thermal conductivity with increase of GNP content in ternary CMs were considered within a modified Nielsen model and the effective thermal conductivity of each type of filler phase was determined. The role of the thermal interface resistance and interparticle thermal contact resistance in the determination of composite thermal conductivity was also discussed.