Electrical and Mechanical Properties of Epoxy Composites Filled with Carbon and Co3O4 Nanoparticles

Abstract

Проведено дослідження зразків багатокомпонентних епоксидних композитів (КМ), вивчено структуру, морфологію наповнювачів та їх розподіл в епоксидній матриці, особливості процесу модифікації електропровідного кластера та зміни міжфазної поляризації за рахунок інтеграції. нановуглецевих (графітові нанопластини ВНП, вуглецеві нанотрубки УНТ) та неорганічних (Fe, Co3O4) супердисперсних наповнювачів визначено вплив складу, морфології та концентрації комбінованих наповнювачів на електродинамічні характеристики композитів та механізми електротранспорту в КМ. . Як показали дослідження фазового складу магнітних порошків методом рентгенівської дифракції, нанопорошок оксиду кобальту складається з чистої фази Co3O4, а карбонільного заліза – з чистого α-Fe. Експериментальні дослідження електроопору проводилися на постійному струмі в інтервалі температур 77- 293 К. Як показали дослідження, електропровідність ВМ має перколяційний характер, тобто різко зростає при певній концентрації Сcr або об’єм ϕc) нановуглецевого наповнювача. Додавання неорганічних наповнювачів разом із нановуглецевими наповнювачами призводить до зміни характеру перколяційних кривих. Зміни електропровідності трифазних ВМ суттєво залежать від розміру та морфології нановуглецевих частинок. Додавання нановуглецевого наповнювача ВНЧ разом із неорганічними магнітними частинками Co3O4 або Fe призводило до зниження порогу перколяції та підвищення електропровідності ВМ за вмісту ВНЧ понад 3 мас. %. При додаванні частинок Co3O4 разом з ВНТ до епоксидної матриці відбуваються значні зміни електропровідності при вмісті УНТ 1-5 мас. % не спостерігалося. Характер температурної залежності електроопору різний в залежності від виду та вмісту двокомпонентного наповнювача в КМ. Для епоксидних КМ з високим електричним опором спостерігається значне зниження електричного опору при нагріванні від 77 до 293 К. Встановлено, що додавання 2-5 мас. % наночастинок графіту разом з наночастинками Co3O4 знижує ефективний модуль Юнга та міцність на стиск трифазних композитів порівняно з Co3O4/епоксидною смолою. 5CNT/Co3O4/epoxy CM показав мінімальне значення модуля Юнга (520 МПа) та покращені гнучкі властивості порівняно з композитами з наповнювачем GNP/Co3O4. Значне зменшення електроопору (на 2 порядки) при одновісному стисненні виявлено для 3GNP/ Co3O4/епоксидного ВМ із вмістом нанокарбону, близьким до порогу перколяції. Досить менше оборотне зниження електричного опору (не більше 30 % відносно початкового значення) спостерігалося для 5 %GNP/Co3O4/епоксидного композиту.

The study of samples of multicomponent epoxy composites (CM) was carried out, the structure, morphology of fillers and their distribution in the epoxy matrix were studied, the features of the process of modifying the conductive cluster and changing the interphase polarization due to the integration of nanocarbon (graphite nanoplates GNP, carbon nanotubes CNT) and inorganic (Fe, Co3О4) of superdisperse fillers, the influence of the composition, morphology and concentration of combined fillers on the electrodynamic characteristics of composites and the mechanisms of electrical transport in CM was determined. As shown by studies of the phase composition of magnetic powders by the X-ray diffraction method, cobalt oxide nanopowder consists of a pure Co3O4 phase, and carbonyl iron – of pure α-Fe. Experimental research of electrical resistance was carried out on direct current in the temperature range of 77-293 K. As studies have shown, the electrical conductivity of CM has a percolation character, that is, it increases sharply at a certain concentration (weight Сcr or volume ϕc) of the nanocarbon filler. The addition of inorganic fillers along with nanocarbon fillers leads to a change in the nature of the percolation curves. Changes in the electrical conductivity of three-phase CMs significantly depend on the size and morphology of nanocarbon particles. The addition of nanocarbon filler GNP along with inorganic magnetic particles Со3О4 or Fe led to a decrease in the percolation threshold and a higher electrical conductivity of CM at a GNP content higher than 3 wt. %. When adding Co3O4 particles along with CNTs to the epoxy matrix, there are significant changes in the electrical conductivity at a CNT content of 1-5 wt. % was not observed. The nature of the temperature dependence of the electrical resistance is different depending on the type and content of the two-component filler in the CM. For epoxy CMs with high electrical resistance, a significant decrease in electrical resistance is observed when heated from 77 to 293 K. It was found, that the addition of 2-5 wt. % of graphite nanoparticles along with Co3O4 nanoparticles decreases the effective Young modulus and the compression strength of three-phase composites compared with Co3O4/epoxy. 5CNT/Co3O4/epoxy CM showed the minimal value of Young modulus (520 MPa) and enhanced flexible properties compared with composites with GNP/Co3O4 filler. The significant decrease in electric resistance (by 2 orders of magnitude) under uniaxial compression was found for 3GNP/Co3O4/epoxy CM with nanocarbon content close to the percolation threshold. The sufficiently lower reversible decrease of electrical resistance (not exceed 30 % relative to the initial value) was observed for 5 %GNP/Co3O4/epoxy composite.