WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 4 Теплопроводность нанокомпозита опал+эпоксидная смола при низких температурах © В.Н. Богомолов, Д.А. Курдюков, Л.С. Парфеньева, И.А. Смирнов, Х. Мисиорек, А. Ежовский Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Институт низких температур и структурных исследований Польской академии наук, 50-950 Вроцлав, Польша E-mail: igor.smirnov@pop.ioffe.rssi.ru (Поступила в Редакцию 30 июня 2004 г.) В интервале 5-100 K измерена теплопроводность нанокомпозита опал+эпоксидная смола при 100% заполнении пустот первого порядка опала эпоксидной смолой. При T < T0 (T0 — температура, при которой теплопроводность эпоксидной смолы становится равной теплопроводности аморфных сфер SiO2 опала с учетом их пористости за счет пустот второго и третьего порядков) обнаружено резкое уменьшение теплопроводности нанокомпозита опал+эпоксидная смола, которое качественно объясняется возникновением теплового сопротивления Капицы на контакте аморфных сфер опала и эпоксидной смолы.

Работа выполнена в рамках двустороннего соглашения между Российской и Польской академиями наук, при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 02-02-17657) и Польского государственнго комитета по научным исследованиям (KBN, грант N 3 T08A 054 26).

Настоящая работа является заключительной в цикле заполнении пустот первого порядка) регулярные трехнаших исследований теплопроводности нанокомпозитов мерные нанокомпозиты, которые можно рассматривать опал+эпоксидная смола [1,2]. как систему, состоящую из двух „вставленных“ друг в Напомним основные особенности необычной кристал- друга уникальных правильных решеток (решетки опала лической структуры опала [3,4], сведения о которых и решетки наполнителя) с гигантскими параметрами и будут необходимы при анализе полученных результатов. гигантскими „атомными“ массами.

В [6] показано, что в интервале температур 5-300 K Кристаллическая структура опала конструируется из плотноупакованных сфер аморфного SiO2. В на- теплопроводность монокристаллов синтетических опашем эксперименте использовались опалы с диаметрами лов определяется в основном качеством контактов межсфер 2000-2500 (сферы первого порядка). Эти ду аморфными сферами SiO2 (т. е. обусловлена контактными тепловыми сопротивлениями между этими сферасферы содержат в себе набор плотноупакованных сфер меньшего размера 300-400 (сферы второго поряд- ми). Чем более совершенна кристаллическая структура ка), которые в свою очередь формируются из плотно- опала (когда контакты между всеми сферами строго одинаковы и приближаются к точечным), тем меньше упакованных сферических частиц с размерами становится его теплопроводность.

(сферы третьего порядка).

Согласно приведенной выше схеме кристаллической В решетке плотноупакованных сфер имеются пустоты решетки нанокомпозита на основе опала, тепловой октаэдрического и тетраэдрического типов, связанные поток в нем будет распространяться по двум паралмежду собой постредством каналов в форме рупоров.

В зависимости от порядкового номера сфер аморфно- лельным каналам, сферам аморфного SiO2, образующим опал, и по „цепочкам“ из материала наполнителя:

го SiO2 эти пустоты также подразделяются на пустоты первого, второго и третьего порядков. Суммарная теоре- тетраэдрическая (октаэдрическая) заполненная пустота– заполненный рупорообразный канал–тетраэдрическая тическая пористость опала равна 59%.

(октаэдрическая) заполненная пустота– заполненный руОднако реально у выращенных нами монокристаллов опалов (из-за частичного спекания аморфных сфер вто- порообразный канал и т. д.

При этом возможны три варианта:

рого и третьего порядков) она составляла 46% [5].

1) (наполнителя) (матрицы опала);

Объем пустот первого порядка был 26%. Аморфные сферы SiO2 и пустоты первого порядка опала образуют 2) (наполнителя) (матрицы опала);

гранецентрированные кубические решетки, параметры 3) (наполнителя) (матрицы опала).

которых у использованного в эксперименте опала бы- Первый вариант характерен для нанокомпозитов ли 3000-4000. Пустоты первого порядка опала опал + HgSe [6] и опал + NaCl [7], в которых тепловой с помощью различных методов (химических, введения поток распространяется преимущественно по „цепочвещества из расплава под давлением или путем простой кам“ из материала наполнителя. При низких темперапропитки образца материалом наполнителя) можно за- турах (5-20 K) теплопроводности HgSe и NaCl, находяполнять металлами, полупроводниками, изоляторами и щиеся в пустотах первого порядка опалов, определяются таким образом конструировать на его основе (при 100% граничным рассеянием фононов на узких местах („шейТеплопроводность нанокомпозита опал+эпоксидная смола при низких температурах ках“) рупорообразных каналов ( 100 ), соединяющих запоненные октаэдрические (тетраэдрические) пустоты опала. В этом случае длины свободного пробега фононов (l) намного больше размеров „шеек“.

При высоких температурах (до 300 K) l становится меньше размеров рупорообразных каналов, и более низкие значения теплопроводности материалов наполнителей по сравнению с объемными кристаллами объясняются наличием в них специфических дефектов (вакансии-разрывы в решетке наполнителя, поверхностные дефекты, дефекты, обусловленные напряжениями в матрице наполнителя, и т. д.), которые отсутствуют в объемных материалах.

Второй вариант реализуется для нанокомпозита опал + эпоксидная смола для T > 100 K [2]. В этом варианте тепловой поток при измерении теплопроводности нанокомпозита распространяется преимущественно по матрице (аморфным сферам SiO2) и теплопроводность нанокомпозита близка к теплопроводности матрицы опала.

Третий вариант предполагалось осуществить при измерении теплопроводности нанокомпозита опал + эпоксидная смола для T < 100 K. Этому вопросу и будет посвящена настоящая работа.

Для приготовления нанокомпозита опал + эпоксидная смола на основе монокристаллического опала мы воспользовались методикой, описанной в [1,2]. Был получен нанокомпозит со 100% заполнением пустот первого порядка опала эпоксидной смолой (опал + 100% эпокa) теплопроводность плавленого кварца (1) [9], аморфных сидной смолы).

сфер SiO2 опала с учетом их пористости за счет пустот второго Измерение теплопроводности нанокомпозита провои третьего порядков (2) и нанокомпозита опал + 100% эпокдилось в интервале температур 5-300 K на установке, сидной смолы (3). b) — теплопроводность эпоксидной смоаналогичной [8]. Измеренная на эксперименте теплопролы (4) [2], плавленого кварца (1) и аморфных сфер SiO2 опаводность является теплопроводностью кристаллической ла (2) с. c) — схематическое изображение нанокомпозита решетки.

опал + эпоксидная смола. 1 — аморфные сферы SiO2 опала Из данных работы [2] можно заключить, что тепло- с, 2 — эпоксидная смола. Q — направление распространепроводность эпоксидной смолы будет близка к тепло- ния теплового потока в нанокомпозите.

проводности плавленого кварца при температурах ниже 100 K.

приведены результаты для теплопроводности плавленоЭпоксидная смола, введенная в пустоты первого пого кварца и аморфных сфер SiO2 опала.

рядка опала, контактирует в нем с аморфными сферами SiO2, имеющими в нашем случае пористость 20%, Как видно из части b, при T < 30 K теплопроводность которая возникает за счет пустот второго и третьего эпоксидной смолы становится близкой к теплопроводнопорядков опала.

сти аморфных сфер SiO2 опала ( ).

На части рисунка a приведены значения теплопроводПри такой ситуации можно было бы ожидать, что ности аморфного кварца [9] и аморфных сфер SiO2 опала при T < 30 K будет возрастать с понижением comp ( ) с учетом отмеченной выше пористости. Расчет температуры, стремиться к значению теплопроводности проводился по формуле Литовского (1) [10] аморфных сфер SiO2 опала и затем сравняется с ним.

Однако на эксперименте все обстоит иначе. При = (1 - p) 1 - p, (1) 0 SiOT T0 наблюдается не рост, а достаточно резкое уменьшение величины теплопроводности нанокомпозита p — пористость, которая была равна 0.2.

(часть a)1.

На том же рисунке представлены полученные экспериментальные результаты для теплопроводности наноНикаких изломов на зависимости теплопроводности от температукомпозита опал + 100% эпоксидной смолы ( ), а на comp ры (включая и район температур вблизи 30 K) у монокристалла опала, части b вместе с нашими данными для теплопроводкоторый был использован в качестве матрицы для нанокомпозита ности эпоксидной смолы ( ) из [2] для сравнения опал + эпоксидная смола, не наблюдалось.

epox Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 744 В.Н. Богомолов, Д.А. Курдюков, Л.С. Парфеньева, И.А. Смирнов, Х. Мисиорек, А. Ежовский Какой же механизм рассеяния фононов в композите [10] Е.Я. Литовский. Изв. АН СССР. Неорган. материалы 16, 3, 559 (1980).

ответственен за такое поведение (T ) comp [11] W.A. Little. Canad. J. Phys. 37, 334 (1959).

При условии, когда тепловой поток Q 0 epox [12] J.A. Katerberg, C.L. Reynolds, A.C. Anderson. Phys. Rev.

будет равномерно распределяться по образцу наноB 16, 2, 673 (1977).

композита (часть c) и „пересекать“ границы между [13] C. Schmidt. Cryogenics 15, 17 (1975).

эпоксидной смолой и аморфными сферами SiO2 опала.

[14] K.W. Garret, H.M. Rosenberg. J. Phys. D.: Appl. Phys. 7, При этом в области низких температур может начать 1247 (1974).

оказывать существенное влияние на поведение тепло[15] H.J. Mc Skimin. J. Appl. Phys. 24, 8, 988 (1953).

проводности композита тепловое сопротивление Капи- [16] J.J. Freeman, A.C. Anderson. Phys. Rev. B 34, 8, 5684 (1986).

цы (rК) [11–13], которое возникает на границе двух сред [17] Акустические кристаллы / Под ред. М.П. Шаскольской.

Наука, М. (1982). 632 с.

в нанокомпозите из-за из акустического несовершенства (acoustic-mismatch).

-Согласно теории [11–13], rК T и пропорциональ но отношению акустических импедансов этих сред: v · (где v — средняя скорость звука, — плотность материала).

Чем больше величина отношения импедансов матрицы и наполнителя, тем выше значение rК.

Отношение импедансов для аморфного кварца/эпоксидная смола составляет 4.28 [14–16]. Эта величина достаточно большая. Например, для отношения импедансов аморфный кварц/NaCl она составляет лишь 1.449 [15–17].

На эксперименте мы не получили зависимости -rК T. Она оказалась значительно меньше -1.(r T ). Такая же зависимость для r(T ) была получена и в [13] при анализе данных для композита эпоксидная смола + медь, который проводился в рамках модели теплового сопротивления Капицы.

Таким образом, и в нашем случае можно говорить лишь о наличии качественного совпадения полученных результатов для нанокомпозита опал + эпоксидная смола с моделью теплового сопротивления Капицы.

Список литературы [1] В.Н. Богомолов, Л.С. Парфеньева, Л.М. Сорокин, И.А. Смирнов, Х. Мисиорек, А. Ежовский, Дж. Хатчисон.

ФТТ 44, 6, 1017 (2002).

[2] В.Н. Богомолов, Н.Ф. Картенко, Д.А. Курдюков, Л.С. Парфеньева, И.А. Смирнов, Н.В. Шаренкова, Х. Мисиорек, А. Ежовский. ФТТ 45, 5, 910 (2003).

[3] В.Г. Балакирев, В.Н. Петрановский, С.Г. Романов, Л.А. Самойлович. Кристаллография 33, 3, 111 (1993).

[4] В.Н. Богомолов, Т.М. Павлова. ФТП 29, 5/6, 826 (1995).

[5] В.В. Ратников. ФТТ 39, 5, 956 (1997).

[6] В.Н. Богомолов, Н.Ф. Картенко, Д.А. Курдюков, Л.С. Парфеньева, В.В. Попов, Л.М. Сорокин, И.А. Смирнов, Х. Мисиорек, А. Ежовский, Дж. Хатчисон. ФТТ 45, 3, 535 (2003).

[7] В.Н. Богомолов, Н.Ф. Картенко, Д.А. Курдюков, Л.С. Парфеньева, И.А. Смирнов, Н.В. Шаренкова, Х. Мисиорек, Я. Муха, А. Ежовский. ФТТ 46, 10, 1893 (2004).

[8] A. Jezowski, J. Mucha, G. Pompe. J. Phys. D.: Appl. Phys. 20, 1500 (1987).

[9] Теплопроводность твердых тел. Справочник / Под ред.

А.С. Охотина. Энергоиздат, М. (1984). 320 с.

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.