Avancement d'un modèle de puissance pour la conductivité électrique du graphène
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Avancement d'un modèle de puissance pour la conductivité électrique du graphène

Jun 05, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 1596 (2023) Citer cet article

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Ce travail présente une équation de puissance pour la conductivité des composites polymères à base de graphène en fonction de la longueur du tunnel, de la profondeur de l'interphase et de la taille de la charge. Les impressions de ces facteurs sur la concentration efficace et le début de la percolation des nanofeuillets de graphène dans les nanocomposites sont également exprimées. Les équations développées pour le début de la percolation et la conductivité sont examinées par les données expérimentées de quelques exemples, qui peuvent estimer la profondeur de l'interphase, la taille du tunnel et l'exposant de percolation. En outre, les impacts de nombreux facteurs sur le début de la percolation et la conductivité sont étudiés. L'équation développée pour le début de la percolation montre la formation d'une interphase épaisse et de grands tunnels dans les échantillons rapportés. Ainsi, ne pas tenir compte des espaces tunnels et interphases dans les nanocomposites polymères de graphène surprédit le début de la percolation. De plus, le modèle développé présente les calculs acceptables pour la conductivité des échantillons. Parmi les paramètres mentionnés, la concentration et la conductivité du graphène ainsi que la profondeur d'interphase induisent les effets les plus forts sur la conductivité des composites.

De nombreux types de nanoparticules ont été rapportés dans la littérature1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. Le graphène en tant que feuille planaire à un atome présentant des aspects nanométriques et remarquables tels qu'une conductivité électrique élevée, une rigidité significative et une grande surface spécifique peut remplacer les charges courantes pour la fabrication de nanocomposites polymères17,18,19,20,21,22,23,24, 25,26,27,28. Des nanofeuilles de graphène uniques présentent les meilleures propriétés intrinsèques, mais il est problématique de les obtenir de haute qualité, à grande échelle et à faible coût. En outre, la tendance du graphène à rouler, à défiler ou à se froisser constitue un défi important, qui détériore le rapport hauteur/largeur (rapport diamètre/épaisseur) et la morphologie du graphène29,30.

Les fines et grandes couches de graphène produisent les réseaux conducteurs dans les nanocomposites polymères à faible teneur en charges . Il est connu qu'au-delà d'une quantité déterminée de charges dans les nanocomposites au début de la percolation, des réseaux se forment et une conductivité significative est obtenue. Le début de la percolation est lié aux dimensions des couches de graphène en plus de la qualité de la dispersion33. Le faible début de percolation et la conductivité élevée des nanocomposites de graphène polymère sont qualifiés par le grand rapport d'aspect, la grande zone superficielle spécifique et l'étalement homogène des couches de graphène34, bien que certains phénomènes indésirables tels que l'agrégation, le sertissage et la mise en réseau difficile du graphène affaiblissent leur efficacité en termes de conductivité35.

Il existe de nombreuses études expérimentales dans la littérature sur la conductivité des échantillons remplis de graphène36,37,38. Ils ont tenté de montrer un mauvais début de percolation et une grande conductivité grâce à de faibles teneurs en charges dans différents nanocomposites. Cependant, les effets de différents facteurs sur le début de la percolation et la conductivité des systèmes de graphène n'ont pas été étudiés. Les articles précédents appliquaient principalement la théorie de la percolation en loi de puissance pour approximer le début de la percolation et interpréter la conductivité. En fait, les premières études se sont uniquement concentrées sur la percolation débutant dans ces nanocomposites, tandis que les principaux effets de certains facteurs importants comme les parties en interphase sur la conductivité ont été négligés.

Les nanocomposites polymères comprennent une troisième phase autour des nanoparticules en tant que régions d'interphase40,41,42,43,44,45,46. L'interphase comprend la configuration modifiée des chaînes polymères à proximité des nanoparticules, car la grande surface des nanoparticules ainsi que les fortes interactions entre le polymère et la nanocharge affectent principalement les chaînes polymères proches de la nanocharge. Ainsi, l'interphase a une rigidité et une conductivité plus élevées que les chaînes polymères en vrac. La figure 1 montre l'interphase autour du graphène dans un nanocomposite. Le rôle raidisseur de l’interphase a été discuté dans des études antérieures47,48. De plus, de nombreux modèles ont été développés pour calculer les propriétés interphases par module de traction et résistance49,50,51. Surtout, il a été démontré que les nanoparticules contiguës de la partie interphase peuvent participer aux réseaux de remplissage, accélérant ainsi la percolation commençant dans les échantillons, car l'interphase réduit les espaces entre deux nanoparticules proches. L'efficacité de la mise en réseau de l'interphase a également été étudiée dans la ténacité des produits NTC54, mais son effet sur la conductivité n'a pas été rapporté. Généralement, il n’existe aucun modèle permettant de montrer l’impact de l’interphase sur la conductivité des produits à base de graphène. De plus, l’effet tunnel joue un rôle majeur dans la conductivité des nanocomposites55,56,57, mais ce mécanisme ne peut être pris en compte par les théories conventionnelles. La figure 1 montre l'espace tunnel autour des nanoparticules par un schéma. Le modèle simple de loi de puissance prévoit la conductivité par conduction de charge, somme de charge, début de percolation et un exposant peu clair. Cependant, la conductivité dépend de nombreux paramètres tels que la forme de la charge, la taille des particules, les régions d'interphase, l'effet tunnel, qui ne peuvent être pris en compte par ce modèle.

 3.8. Accordingly, small percolation beginning and low “b” exponent produce high conductivity; nevertheless a deprived conductivity is detected at great “b”. In other words, only smaller values of both percolation beginning and “b” cause better conductivity./p> 2 nm) significantly weaken the conductivity. As a result, the dimensions of graphene nano-sheets control the conductivity. It can be suggested that the poor dispersion of nanoparticles thickening the graphene nano-sheets negatively affects the conductivity./p>