Анизотропные эффекты в полимерных композитах и их электромагнитные следствия тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.06 ВАК РФ

Актуальность работы. Одной из важнейших задач в области физики и химии электро- и магнитоактивных полимерных композиционных материалов является установление связи их структуры с электродинамическими свойствами и детальное изучение этих свойств с целью дальнейшего расширения возможностей практического использования. Полимерные композиты с электропроводящими, магнитными и другими функциональными наполнителями - материалы, состоящие из фазы, обладающей электрофизическими свойствами с частицами той или иной формы и полимерной матрицы, в которой эти частицы определенным образом расположены, - представляют огромный интерес как с точки зрения теоретического анализа их структуры и свойств, так и практического использования. Основой практического использования таких материалов является возможность сочетания свойств, присущих отдельным компонентам, и совокупность которых до настоящего времени не реализована с помощью традиционных подходов и материалов. С другой стороны, это типичные гетерогенные системы со статистическим или упорядоченным распределением компонентов, благодаря чему они являются объектом пристального внимания теоретиков, создающих модели для описания свойств материала исходя из характеристик и соотношения компонентов.

Основой теоретического анализа статических свойств (диэлектрическая проницаемость, теплоемкость и др.) являются различные формулы смешения, учитывающие форму частиц (сферы, эллипсоиды, цилиндры, пластины) и, до некоторой степени, распределение фаз (матричные или статистические смеси, слоистые материалы). Что касается динамических свойств (электропроводность и, в меньшей степени, теплопроводность, методы анализа которой относятся, скорее, к ервой группе), то в этом случае основным инструментом служит аппарат теории . -отекания и лишь для однонаправленных волокнистых или слоистых систем можно : с лользовать формулы смешения из-за простоты геометрии распределения фаз.

В основной массе работ, посвященных анализу электрофизических свойств ;;ампозитов с помощью теории протекания, исходят из случайных распределения и ориентации частиц проводящей фазы в диэлектрической матрице, что неявно предполагает материал полностью изотропным даже в случае анизометричных частиц, например, волокон или частиц, собственная проводимость которых анизотропна. Тем не менее, как свидетельствуют экспериментальные данные, диэлектрические и магнитные свойства практически всегда в той или иной степени анизотропны даже в случае сферических частиц наполнителя. Обсуждению этой проблемы в работе уделено основное внимание, в том числе практическим и теоретическим следствиям анизотропии электрофизических свойств композиционных материалов.

В данной работе исследованы условия возникновения анизотропии электрофизических свойств композитов, предложены модели для описания таких систем, а также получены экспериментальные данные, имеющие отношение к обсуждаемой проблеме, такие как анизотропия диамагнитной восприимчивости, магнетосопротивления, тензочувствительность композиционных материалов, их теплопроводность и т.д

Работа выполнялась в рамках проекта Миннауки РФ «Разработка технологии производства полимерных материалов для функциональных элементов изделий электронной промышленности и систем жизнеобеспечения» Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения», нескольких проектов РФФИ, а также в течение ряда лет в рамках гранта Королевской Шведской академии наук.

Цепь работы. Разработка и исследование полимерных композиционных материалов, структура и/или электромагнитные свойства которых анизотропны, что позволило расширить круг исследуемых объектов и использовать развитые подходы для установлении связи структурных характеристик композитов с их конечными электродинамическими свойствами, а также создание материалов и структур на их основе, обладающих "интеллигентными" свойствами.

Научная новизна. На примере полимерных композиционных материалов с диэлектрическими и магнитными наполнителями исследовано влияние анизотропии структуры и свойств на электропроводность и спектры магнитной и диэлектрической проницаемости композитов.

При исследовании 1-3 композитов: --подробно проанализирована и выявлена роль дефектов волокон и электрических контактов между ними в возникновении анизотропии электропроводности материала; показано, что изотропная упаковка коротких волокон возможна лишь в определенной области концентраций наполнителя и длин частиц; -впервые экспериментально и теоретически исследовано влияние электрических контактов между частицами наполнителя - короткими электропроводящими волокнами на характер диэлектрических спектров композитов в микроволновой области.

Для полимеризационно-наполненных композитов ПП и природного графита (квазидвумерный наполнитель); впервые различными методами (электропроводность, диамагнитная восприимчивость, теплопроводность) исследована анизотропия свойств материала; разработана микроскопическая модель переноса зарядов, дающая объяснение низкому порогу протекания и аномально высоким значениям критического индекса теории протекания исследуемых композитов; впервые обнаружены и исследованы свойства композитов данного типа (высокая тензочувствительность и изменение темновой проводимости в условиях магнитного резонанса), позволяющие классифицировать их как "интеллигентные" материалы.

Впервые получены и исследованы высоконаполненные полимерные волокна на основе СВМПЭ и ферромагнитных наполнителей, обладающие магнитной текстурой вдоль оси волокна или по нормали к ней, что позволило создать ткани с высокой частотной избирательностью в диапазоне СВЧ.

Разработан метод расчета диэлектрических характеристик сложных анизотропных полимер-жидкостных структур с регулируемой частотной избирательностью в диапазоне СВЧ.

Научная и практическая ценность. Разработанные подходы к анализу электромагнитных свойств наполненных полимерных композитов и структур имеют достаточно общий характер и могут быть использованы при создании "интеллигентных" структур на основе родственных систем.

В качестве основы для разработки и анализа полимерных композиционных материалов с электрофизическими свойствами использованы представления о том, что для многих систем определяющим является анизотропный характер структуры материала и свойств составляющих его компонентов.

Предложенные метода! теоретического анализа имеют предсказательный характер и в сочетании с разработанными способами получения композитов и структур на их основе позволяют более полно реализовывать потенциальные возможности компонентов, выходя за пределы линейной комбинации свойств.

На конкретные технические решения получено 4 авторских свидетельства и 2 патента.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной научно-технической конференции ХШ Всесоюзном совещании по органическим полупроводникам (Москва, 191Й), 1 Международной конференции «Полимеры для электротехники и электроники (микроэлектроники)» (Берлин, 1985), 22 конференции по высокомолекулярным соединениям (Алма-Ата, 1985), 8-й Международной конференции «Физика полимеров» (Лейпциг, 1986), П Всесоюзной конференции «Композиционные полимерные материалы и их применение в народном хозяйстве» (Ташкент, 1986), Международной конференции "Органические материалы для электроники и приборостроения" (Черноголовка, 1987), Третьей Всесоюзной научно-технической конференции "Композиционные полимерные материалы - свойства, производство и применение (Москва, 1987), УШ Международном микросимпозиуме по полимерным композициям (Киев, 1989),

Симпозиуме IUTAM, (Стокгольм, 1990), Московской международной конференции по композиционным материалам (1990 и 1993), 3-м советско-японском симпозиуме по композиционным материалам, (Москва, 1991), XI Международной конференции по гиромагнитной электронике и электродинамике (Алушта, 1992), Международном симпозиуме по вторичной переработке (Женева, 1993), XI Национальной конференции «Наука и технология макромолекул» (Турин, 1993), Научно-практической конференции "Бестоковая электроника". (Москва, 1993), 5-й Международной конференции "Межфазные явления в композитах" (Гетеборг, 1994), Североамериканской конференции по интеллектуальным структурам и материалам (Орландо, 1994, Сан-Диего, 1995, Ньюпорт, 1999), Международной конференции EUROFOLLERS -95 (Мюлуз, 1995), EUROFILLERS-97 (Манчестер, 1997) и EUROFILLERS-99 (Виллербан, 1999), Международной конференции "Релаксационные явления в твердых телах" XX Relax (Воронеж, 18-21 октября 1999), Научно-практической конференции ((Гиромагнитная бестоковая электроника)) (Москва, 1995), 27 Международной конференции «Техника вакуумного микробаланса» (Люблин, 1997), Международной конференции по переработке полимеров (Гетеборг, 1997, Злин, 2000), VI Международной конференции по гиромагнитной спин-электронике. (Фирсановка, 1998), Международных научно-технических конференциях "Полимерные композиты-98" и "Полимерные композиты-2000", (Гомель, 1998, 2000), 3-й Международной конференции "Электронные процессы в органических материалах" (Харьков, 2000), Международной конференции по химическим волокнам "Химволокна - 2000" (Тверь, 2000), 3-й международной конференции по техническому углероду (Мюлуз, 2000).

Публикации. Результаты работы отражены в И публикациях обзорного характера, 33 оригинальных статьях в отечественных и зарубежных научных журналах, 62 тезисах докладов, опубликованных в виде трудов и сборников тезисов докладов российских и международных научных конференций, 2 авторских свидетельствах и 2 патентах.

1. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. Электродинамика сплошных сред. М., Наука. 1982. С.37-44.

2. Й.Смит, Х.Вейк. Ферриты. М., Издатинлит, 1962.

3. А.Г.Гуревич. Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках. М., Наука, 1973.

4. Appleton S.G. In: Smart Structures and Materials 1995: Smart Electronics, V.K.Varadan, Editor, Proc. SPIE 2448 (1995), pp. 22-34.

5. В.И.Пономаренко, В .Н.Бержанский, ДИ.Мировицкий. Радиотехника и электроника, 1986, N11, рр.2275-2276.

6. В И-Пономаренко, В.НБержанский, Д.И.Мировицкий. Радиотехника и электроника, 1989, N8, pp.67-69.

7. Н.Е.Казанцева, Е.В.Лазовская, В.С.Петров, А.Т.Пономаренко. Сб. Трудов Межд. конф. «Поликом-98», 29-30 сент., Гомель, ИММС НАНБ (1998), с. 206209.

8. Ю.Н.Яковлев, С.Ш.Гендель. Монокристаллы ферритов в электронике. М., Сов. радио, 1975.

9. Смайс Ч.Ф. Диэлектрическая проницаемость и сгуктура молекул.-М.: ОНТИ, Гл. ред. хим. лит., 1937,- с.33-43.

10. Аллеталин В.Н. Исследование диэлектрических свойств дипольных жидкостей на субмиллиметровых волнах: Дис. канд. физ.-мат. наук,- М., 1977,- 137с.

11. Shutko А.М., Liberman В.М., Chukhray G.I.- IEEE J. Oceanic Eng., 1982, v. OE-7,

12. Авдеев C.M. Линзовые антенны с электрически управляемыми диаграммами направленности/С.М.Авдеев, Н.А.Бей, А.Н.Морозов. Под ред. Н.А.Бея -М. Радио и связь, 1987,- 128с.

13. Патент CIIIAN3.325.808, кл.343-18 (13.06.1967).

14. Бей H.A., Морозов А.Н. Труды МВТУ, 1979, N305, с.114-127.

15. A.c. 1171886 (СССР) Антенна с электронным сканированием луча (С.М.Авдеев, Н.А.Бей, Б.Е.Токарев)

16. Л.М.Бреховсюих. Волны в слоистых средах. Издательство АН СССР, Москва, 1957.

17. Дебай П. Полярные молекулы, М-Л. ГНЩ 1931,247 с.

18. Davidson D.W., Cole R.H. Dielectric Relaxation in Glycerol and n-Propanol. -J.Chem.Phys., 1951,V.19, N12, 1484-1490.

19. Harvrilak S., Negarai S. J.Polymer Sei., Part C, N14, p. 99-117.

20. Brot С. C.R. Acad.Sci. -1955,- v.240.-N20.-p.l989-1991.

21. Heston W.M., Franklin A.D., Hennelly E.J., Smyth C P. Joum. Amer. Chem. Soc.-1950,- v.72.- N8.- p.3443-3454

22. Maxwell J.C. ATreatise in Electricity and Magnetizm, 1954, V. 1, 440 pp.

23. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. Теоретическая физика T.8. Электродинамика сплошных сред. Москва, Наука, 1982.Р35.