Microwave Properties and Conductivity Anisotropy of Oriented Multiwalled Carbon Nanotube/Epoxy Composites

Abstract

Epoxy composites with the aligned network of multiwalled carbon nanotubes generated by applying AC electric field during the curing process are fabricated. Industrial nanotubes with diameter of 10—30 nm and length of 10—30 μm are used. The nanotubes’ concentration is varied from 0.2 to 1.0% wt. DC conductivity is measured for two orientations of multiwalled carbon nanotubes’ network–parallel and perpendicular to the direction of the instrument current. Similarly, complex microwave permittivity and conductivity are investigated for parallel and perpendicular orientations of multiwalled carbon nanotubes’ network to the microwave electric field. Measured DC conductivity of order of 10⁻⁷—10⁻⁵ S/m contrasts with microwave conductivity of order of 10⁻²—10⁻¹ S/m. The conductivity anisotropy varies from 18 to 26 for DC measurements and from 1.26 to 2.04 for microwave ones. Such difference in anisotropies can be attributed to the essential inequality of the actual electron transport mechanisms under DC and microwave electric fields.

Було виготовлено епоксидні композити з орієнтованими багатошаровими вуглецевими нанотрубками із застосуванням змінного електричного поля в процесі твердіння композитів. Було використано промислові вуглецеві нанотрубки з зовнішнім діяметром 10—30 нм та довжиною 10—30 мкм. Концентрація нанотрубок варіювалася від 0,2 до 1,0% ваг. Електропровідність на постійному струмі було виміряно для двох орієнтацій багатошарових вуглецевих нанотрубок відносно напрямку електричного струму: паралельної та перпендикулярної. Так само, комплексну діелектричну проникність та електропровідність у мікрохвильовому діяпазоні було досліджено при паралельній та перпендикулярній орієнтаціях багатошарових вуглецевих нанотрубок у композиті відносно вектора електричного поля мікрохвильового випромінення. Виміряна на постійному струмі електропровідність порядку 10⁻⁷—10⁻⁵ См/м значно відрізняється від мікрохвильової електропровідности, яка є порядку 10⁻²—10⁻¹ См/м. Анізотропія електропровідности змінюється від 18 до 26 при вимірюваннях на постійному струмі та від 1,26 до 2,04 для мікрохвильових вимірювань. Така ріжниця в анізотропії електропровідности може бути пов’язана з суттєвою ріжницею в механізмах електротранспорту при дії постійного електричного поля та змінного електричного поля мікрохвильового випромінення.

Были изготовлены эпоксидные композиты с ориентированными многослойными углеродными нанотрубками с применением переменного электрического поля в процессе отвердения композитов. Были использованы промышленные углеродные нанотрубки с внешним диаметром 10—30 нм и длиной 10—30 мкм. Концентрация нанотрубок варьировалась от 0,2 до 1,0% вес. Электропроводность на постоянном токе была измерена для двух ориентаций многослойных углеродных нанотрубок относительно направления электрического тока: параллельной и перпендикулярной. Точно так же, комплексная диэлектрическая проницаемость и электропроводность в микроволновом диапазоне были исследованы при параллельной и перпендикулярной ориентациях многослойных углеродных нанотрубок в композите относительно вектора электрического поля микроволнового излучения. Измеренная на постоянном токе электропроводность порядка 10⁻⁷—10⁻⁵ См/м значительно отличается от микроволновой электропроводности, которая составляет порядка 10⁻²—10⁻¹ См/м. Анизотропия электропроводности изменяется от 18 до 26 при измерениях на постоянном токе и от 1,26 до 2,04 для микроволновых измерений. Такие различия в анизотропии электропроводности могут быть связаны с существенными различиями в механизмах электротранспорта при действии постоянного электрического поля и переменного электрического поля микроволнового излучения.