WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 5 Теплопроводность нанокомпозита опал + эпоксидная смола © В.Н. Богомолов, Н.Ф. Картенко, Д.А. Курдюков, Л.С. Парфеньева, И.А. Смирнов, Н.В. Шаренкова, 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 23 сентября 2002 г.) В интервале 100–300 K измерена эффективная теплопроводность семи образцов нанокомпозита eff опал + эпоксидная смола при 100% заполнении пустот первого порядка эпоксидной смолой. Для исследованного нанокомпозита выполняется условие: теплопроводность матрицы (аморфные сферы SiO2) больше теплопроводности наполнителя (эпоксидная смола). Показано, что поведение (T ) нанокомпозита eff опал + эпоксидная смола в области средних температур (100–300 K) аналогично поведению теплопроводности чистого опала. Приводится объяснение обнаруженного эффекта.

Работа выполнена в рамках двустороннего соглашения между Российской и Польской академиями наук и при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 00-0216883).

Настоящая работа посвящена иследованию теплопро- Пустоты первого порядка опала можно с помощью водности нанокомпозита опал + эпоксидная смола. Она различных методов (химических, введение вещества из продолжает цикл работ, начатый в 1995 г. и посвя- расплава под давлением или путем простой пропитки щенный изучению теплопроводности монокристаллов образца материалом наполнителя) заполнять металласинтетических опалов и нанокомпозитов на их основе.1 ми, полупроводниками, изоляторами. При этом можно Опалы обладают весьма необычной кристалличе- получить три типа нанокомпозитов.

ской структурой [2,3]. Она состоит из плотноупакоВ первом типе происходит полное, 100% заполнение ванных аморфных сфер SiO2 чаще всего с диаметвсех пустот опала, в результате чего в опале образурами 2000-2500 (сферы первого порядка), котоется регулярная кубическая решетка из наполнителя с рые состоят из аморфных сфер меньшего размера параметром a 3000-4000, так что получившийся 300-400 (сферы второго порядка), которые в свою нанокомпозит можно рассматривать как систему с раздеочередь формируются из аморфных частиц с диаметрами ляющимися подрешетками (решетка матрицы и решетка порядка 100 (сферы третьего порядка).

наполнителя).

В решетке плотноупакованных сфер имеются пустоты Во втором типе имеет место „островковое“, не 100%, октаэдрического и тетрадрического типов, связанные но достаточно большое заполнение пустот опала, при между собой посредством каналов, имеющих форму котором в нем образуются области с регулярным зарупоров. В зависимости от порядкового номера аморфполнением пустот, разделенные матрицей опала без ных сфер пустоты также подразделяются на пустоты наполнителя.

первого, второго и третьего порядков. Для наглядноВ третьем типе возможно образование на поверхности сти октаэдрические и тетраэдрические пустоты принято аморфных сфер отдельных „пузырьков“ из материала нааппроксимировать сферами, связанными между собой полнителя, что соответствует небольшой концентрации посредством цилиндрических (а не рупорообразных) наполнителя в опале.

каналов [2]. В такой модели диаметры октаэдрических, Таким образом, для правильной интерпретации экспететраэдрических пустот и каналов первого порядка опариментальных данных, полученных для нанокомпозитов лов (при диаметре аморфных сфер SiO2 2000 ) будут на основе опалов, важно знать реальную картину заполсоответственно равны 800, 400 и 300.

нения пустот опала наполнителем.

Суммарная теоретическая пористость опала составляет 59%. Однако реально у выращенных нами моно- При 100% заполнении пустот опала наполнителем в кристаллов опалов (из-за частичного спекания аморф- нанокомпозите возможны три варианта.

ных сфер второго и третьего порядков) она была Первый вариант: теплопроводность матрицы (реmat 46-50% [4]. При этом объем пустот первого порядка шетка аморфных шаров SiO2 опала) намного меньше оставался равным 26%.

теплопроводности наполнителя ( ).

fill mat fill Аморфные сферы SiO2 и пустоты первого порядка Второй вариант: теплопроводность матрицы намного образуют правильные гранецентрированные кубические больше теплопроводности наполнителя ( ).

mat fill решетки с параметрами a 3000-4000.

Третий вариант: теплопроводность матрицы сравнима Ссылки на работы, посвященные этому вопросу, можно найти в [1]. с теплопроводностью наполнителя ( ).

mat fill Теплопроводность нанокомпозита опал + эпоксидная смола Цель настоящей работы — провести измерения теплопроводности нанокомпозита также при 100% заполнении пустот опала первого порядка наполнителем, у которого бы величина была значительно меньше, что fill mat отвечает рассмотренному выше второму варианту. В качестве наполнителя, удовлетворяющего этому условию, выбрана эпоксидная смола.

На рис. 1 приведены данные для теплопроводности плавленого кварца из [6] и эпоксидной смолы, полученные нами и заимствованные из [7,8]. Как видно из рисунка, значения теплопроводности эпоксидной смолы, полученные разными авторами, не сильно отлиepox чаются. Величина зависит в основном от количеepox ства введенного в эпоксидную смолу отвердителя. Для интересующей нас в дальнейшем области температур 100–300 K примерно в 5 раз меньше теплопроводepox ности плавленого кварца, что вполне отвечает условию.mat fill 1. Приготовление образцов, методика измерений Рис. 1. Теплопроводность плавленого кварца (1) и эпокосидной смолы (2-5): 1 — [6], 2 и 5 — наши данные, 4 — [7], Образцы опалов, которые использовались в ка3 — [8].

честве матриц при приготовлении нанокомпозитов опал + эпоксидная смола, вырезались из выращенных нами пластин монокристаллического опала, ориентированных по плоскости (111). Все образцы имели произПри исследовании теплопроводности монокристаллов вольную кристаллографическую ориентацию. Методика синтетических опалов [5] нами было показано, что в выращивания монокристаллов опала была одинаковой, широком интервале температур (5–300 K) она определяоднако небольшие различия в структурном совершенется в основном качеством контактов между аморфными стве отдельных образцов, вырезанных из пластин, могли сферами SiO2 (т. е. обусловлена контактным тепловым иметь место из-за наличия незначительных неоднородсопротивлением между этими сферами).

ностей, возникших в пластинах опала в процессе роста Большинство наших исследований теплопроводности и температурного отжига. Процент пористости у различнанокомпозитов на основе опалов проведено на образных образцов опала отличался незначительно.

цах со 100% заполнением наполнителем пустот перНанокомпозиты опал + эпоксидная смола приготоввого порядка опала, у которых намного меньше mat лялись по методике, описанной в [9]. Образец монотеплопроводности наполнителя (см. [1] и ссылки fill кристаллического опала помещался в ампулу, которая в ней на наши предыдущие работы). В этом случае откачивалась до 10-2 mm Hg. При этом происходило решеточная составляющая теплопроводности материала 0 удаление воды, адсорбированной в пустотах опала. Занаполнителя, введенного в опал, вела себя различно ph тем в ампулу вводилась эпоксидная смола достаточно при низких и высоких температурах [1]. При низких жидкой консистенции, которая обволакивала образец по температурах (T 20-30 K) она определялась граничвсей поверхности. Образец вынимался из еще не затверным рассеянием фононов на „узких“ местах рупорообдевшей эпоксидной смолы и после ее затвердевания с разных каналов, соединяющих заполненные наполнитеего поверхности снимался слой смолы до „тела“ опала.

лем октаэдрические (и тетраэдрические) пустоты опала.

Процент заполнения образца опала эпоксидной смолой При высоких температурах (T 20-30 K) наблюдалось 0 оценивался по изменению плотности образца до и сильное уменьшение по сравнению с теплопроводph после его заполнения. Оказалось, что полученные нами ностью кристаллической решетки объемного материала образцы нанокомпозита заполнены эпоксидной смолой наполнителя, которое объяснялось рассеянием фононов на 90–100%. Всего было приготовлено и исследовано на специфических дефектах, возникающих в материале семь образцов нанокомпозитов.

наполнителя, находящегося в пустотах опала (вакансии и разрыв цепочек в решетке наполнителя в опале, Теплопроводность одного образца нанокомпозита опал + эпокeff поверхностные дефекты, дефекты, связанные с напряжесидная смола была измерена нами в работе [9]. Однако подробного ниями в материале наполнителя, и т. д. [1]). анализа полученных в ней результатов для не проводилось.

eff Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 912 В.Н. Богомолов, Н.Ф. Картенко, Д.А. Курдюков, Л.С. Парфеньева, И.А. Смирнов, Н.В. Шаренкова...

теризуется слабым диффузионным максимумом, который, по-видимому, является суперпозицией двух рефлексов: от чистого опала и от эпоксидной смолы.

Измерение теплопроводности эпоксидной смолы проводилось в интервале 4.2–300 K, а величина наeff нокомпозитов опал + эпоксидная смола измерялась в интервале 100–300 K на установке, аналогичной [10].

2. Экспериментальные результаты и их обсуждение Рис. 2. Дифрактограммы опала (1) и нанокомпозита Опалы, эпоксидная смола и нанокомпозит опал + эпоксидная смола (2). 3 — положение дифракционного опал + эпоксидная смола являются изоляторами, поэтомаксимума эпоксидной смолы в стеклообразном состоянии.

му их теплопроводность является теплопроводностью кристаллической решетки ( (T ) = (T )).

eff ph На рис. 3, a приведены полученные результаты для теплопроводности семи образцов нанокомпозитов Образцы для измерения величины вырезались epox опал + эпоксидная смола с заполнением пустот опала из затвердевшей эпоксидной смолы, которая использоэпоксидной смолой от 90 до 100%. Там же для сравнения валась для введения в пустоты опала.

представлены литературные данные для теплопроводноРентгеноструктурный анализ образцов эпоксидной сти плавленого кварца из [6].

смолы и нанокомпозита опал + эпоксидная смола На рис. 3, b приведены данные для (T ) монокрипроводился на аппарате ДРОН-2 (CuK излучение, ph сталлов синтетического опала из нашей работы [5].

Ni-фильтр). На рис. 2 приведена дифрактограмма одного из полученных образцов нанокомпозита Как видно из рис. 3, зависимость (T ) для образцов eff опал + эпоксидная смола. Как видно из рисунка, ди- нанокомпозитов опал + эпоксидная смола ведет себя фракционная картина эпоксидной смолы в опале харак- аналогично (T) образцов чистых опалов.

ph Рис. 3. a — температурные зависимости нанокомпозитов опал + эпоксидная смола (1–5) с различными процентами заполнения ph пустот опала эпоксидной смолой и аморфного кварца (7) [6] x, %: 1, 3 — 90, 2 — 95, 4, 5 — 100. В 2 и 4 измерено по два различных образца. 6 —расчет = по формулам для стандартных композитов из [11] для опала + 100% эпоксидной смолы.

eff ph b — температурные зависимости монокристаллов синтетических опалов (1–6) и аморфного кварца (7) [6]: 1–4 из работы [5], ph 5, 6 — наши новые данные.

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Теплопроводность нанокомпозита опал + эпоксидная смола Попытаемся дать объяснение обнаруженному эффек- На рис. 3, a (кривая 6) приведены расчетные данные ту. Нанокомпозит на основе опала со 100% заполне- для (T ) = (T ) нанокомпозита опал + 100% эпокeff ph сидной смолы. Анализ проводился по формулам рабонием его пустот наполнителем можно рассматривать как сложную систему, состоящую из двух „вставлен- ты [11], которые часто используются для расчета данных для (T ) стандартных композитов.3 Оказалось, что ных“ друг в друга уникальных правильных решеток с eff такой расчет для исследованных нами нанокомпозитов гигантскими параметрами и „атомными“ массами (рене имеет смысла, поскольку (T) = (T ) в них, eff ph шетка опала и решетка наполнителя). Индивидуальные как уже неоднократно отмечалось выше, определяется свойства этих необычных решеток могут проявиться в контактными сопротивлениями, возникающими между поведении (T ) лишь в области сверхнизких темпераph аморфными сферами SiO2 опала.

тур. При достаточно высоких температурах (T > 100 K), Таким образом, можно сделать основной вывод, котопри которых проводились измерения обсуждаемого ph рый следует из результатов настоящего эксперимента.

нанокомпозита, в первом приближении можно считать, Теплопроводность (T ) нанокомпозитов на основе ph что обе решетки будут вести себя независимо и не опалов при 100% заполнении наполнителем пустот оказывать влияния друг на друга (при этих темперапервого порядка опалов, у которых в области mat fill турах, например, не возникает тепловое сопротивление средних температур, ведет себя аналогично (T ) для ph Капицы и т. д.). Тогда при измерении теплопроводности образцов чистого опала, поскольку основной тепловой нанокомпозита на основе опалов тепловой поток будет поток в нанокомпозите при отмеченных выше условиях распространяться по двум параллельным каналам: сфепротекает преимущественно по аморфным сферам SiO2.

рам аморфного SiO2, образующим опал, и по решетке Необходимо отметить наметившуюся при исследонаполнителя по своеобразным цепочкам из материалавании теплопроводности опалов и нанокомпозитов на наполнителя: тетраэдрическая (октаэдрическая) заполих основе некоторую закономерность, когда по мере ненная пустота — заполненный рупорообразный канакопления нового экспериментального материала нам в нал — тетраэдрическая (октаэдрическая) заполненная ряде случаев приходится пересматривать, а порой даже пустота — заполненный рупорообразный канал и т. д.

отказываться от выдвинутых ранее заключений и схем (см. [1] и схему кристаллической структуры опала в [2]).

и давать в свете новых представлений несколько иную При условии, что, основной поток тепла fill mat интерпретацию, что вполне естественно при проведении будет распространяться по „цепочкам“ из материала исследований на новых нестандартных и достаточно наполнителя, а когда — по аморфным сферам fill mat сложных объектах. Однако мы надеемся, что постепенно SiO2 опала.

мы приблизимся к более правильному, близкому к Попытаемся теперь, исходя из сказанного выше, объ- истинному, пониманию поведения теплопроводности в яснить обнаруженный нами эффект в поведении (T ) этом уникальном материале.

ph нанокомпозитов опал + эпоксидная смола.

У этих нанокомпозитов, как уже отмечалось выше, в Список литературы интервале температур 100–300 K, поэтому mat fill основной поток тепла у них будет распространяться [1] В.Н. Богомолов, Н.Ф. Картенко, Д.А. Курдюков, Л.С. Парпреимущественно по сферам аморфного SiO2. Тепловой феньева, В.В. Попов, Л.М. Сорокин, И.А. Смирнов, Х. Мисиорек, А. Ежовский, Дж. Хатчисон. ФТТ 45, 3, поток по цепочкам наполнителя из эпоксидной смолы (2003).

Pages:     || 2 |



© 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.