Modeling of Electrical Conductivity of Graphene-Based Polymer Nanocomposites: Calculation from the First Principles

Abstract

Використання нанокомпозитних матеріалів сприяло поступу в створенні нових електронних пристроїв (мінітранзисторів, сенсорів, мікроприводів, які використовують для побудови штучних м’язів, надконденсаторів). Особливе місце посідають нанокомпозити з магнеточутливими наповнювачами, які особливо успішно використовують в медицині. Нанокомпозити також застосовують для захисного покриття. Для такого покриття, залежно від функціональних функцій, виникає потреба досягнення певного значення провідності та її зміни з температурою. В роботі отримано модель провідності полімерних нанокомпозитів на основі ґрафену (Gr/PS) на підставі експериментальних даних. Найбільше відносне відхилення між поверхнею провідності та даними експерименту не перевищує 9,5 %. Вираз одержано для концентрації ґрафену 1 < C(Gr) < 30 мас. % та інтервалу температур 20 < T < 100 0C. Отримана в роботі залежність питомої електропровідності від концентрації наповнювача та від температури дасть змогу експериментаторам підібрати нанокомпозит із потрібною провідністю і оцінити температурні впливи на нього для умов, у яких перебуватиме матеріал.The use of nanocomposite materials has led to progress in the creation of new electronic devices (minitransistors, sensors, micro-drives, which are used to build artificial muscles, and supercapacitors. Nanocomposites occupy a special place with magnetosensitive fillers, particularly successfully used in medicine. Nanocomposites are also used for a protective coating. Depending on the operational functions, achieving a specific conductivity value and its change with temperature is necessary for such a coating. In the work, a conductivity model of polymer nanocomposites based on graphene (Gr/PS) was obtained using experimental data. The largest relative deviation between the conductivity surface and experimental data does not exceed 9.5 %. The expression was obtained for the graphene concentration 1 < C(Gr) < 30 wt. % and the temperature range 20 < T < 100 °C. The dependence of the specific electrical conductivity on the filler concentration and temperature obtained in the work will allow the researchers to select a nanocomposite with the required conductivity and evaluate the temperature effects on it for the conditions to which the material will be exposed.