The onion-like carbon composites prepared according to different technologies were studied by means of broadband dielectric/electric spectroscopy in a wide temperature range from 300 to 450 K. The value of complex dielectric permittivity of composites strongly increases after annealing. From complex dielectric spectra, complex impedance spectra and distribution of relaxation times were calculated. After annealing of composites on cooling the asymmetricity of distribution of relaxation times strongly increases. Annealed composites exhibit only a weak temperature dependence of microwave properties and are promising candidates for electromagnetic shielding materials.

Keywords: dielectric permittivity, composites, onion-like carbon
PACS: 64.60.ah, 77.22.Ch, 72.80.Rj

ATKAITINIMO ĮTAKA SVOGŪNINĖS SANDAROS ANGLIES KOMPOZITŲ DIELEKTRINĖMS SAVYBĖMS MIKROBANGŲ RUOŽE
J. Macutkevič^a, J. Banys^a, K. Glemža^a, V. Kuznetsov^b, V. Borjanovic^c, O. Shenderova^c
aVilniaus universitetas, Vilnius, Lietuva
^bBoreskov katalizės institutas, Novosibirskas, Rusija
^cTarptautinis technologijų centras, Raleigh, JAV

Straipsnyje nagrinėjamos svogūninės anglies kompozitų dielektrinės mikrobangės savybės plačiame temperatūrų intervale – nuo 300 K iki 450 K. Parodyta, kad didėjant temperatūrai šių kompozitų kompleksinės dielektrinės skvarbos vertė didėja plačiame dažnių diapazone, tačiau ši priklausomybė įsisotina esant aukštiems dažniams (per 1 GHz). Toks kompleksinės dielektrinės skvarbos kitimas buvo paaiškintas pasinaudojus elektrinio impedanso sąvoka. Iš kompleksinio impedanso spektrų buvo apskaičiuoti relaksacijos trukmių pasiskirstymai. Kompozitus kaitinat relaksacijos trukmių pasiskirstymai tampa siauresni ir slenka į trumpesnių trukmių pusę. Šaldant kompozitus relaksacijos trukmių pasiskirstymai praktiškai nesislenka, tačiau didėja jų asimetriškumas. Kompozitus šaldant neatsiranda svogūninės anglies klasteriai su dar mažesniu tūriu, didėja tik mažų klasterių skaičius. Kompleksinei dielektrinei skvarbai svarbūs tik tie klasteriai, kurių atvirkštinė relaksacijos trukmė yra daug didesnė negu elektromagnetinės bangos dažnis. Parodyta, kad svogūninės anglies kompozitai yra tinkami kandidatai į elektromagnetinio suderinamumo medžiagas. Tolesnis šių medžiagų tobulinimas galimai yra dvejopas: pasirenkant svogūninės anglies miltelius su didesniu elektriniu laidžiu bei su mažesniu svogūninės anglies agregato dydžiu.

References / Nuorodos

[1] M.B. Isichenko, Percolation, statistical topography, and transport in random media, Rev. Mod. Phys. 64, 961–1043 (1982),
http://dx.doi.org/10.1103/RevModPhys.64.961
[2] W. Bauhofer and J.Z. Kovacs, A review and analysis of electrical percolation in carbon nanotube polymer composite, Composites Sci. Technol. 69, 1486–1498 (2009),
http://dx.doi.org/10.1016/j.compscitech.2008.06.018
[3] Ju Wu and L. Kong, High microwave permittivity of multiwalled carbon nanotubes composites, Appl. Phys. Lett. 84, 4956 (2004),
http://dx.doi.org/10.1063/1.1762693
[4] N. Li, Y. Huang, F. Du, X. He, X. Lin, H. Gao, Y. Ma, F. Li, Y. Chen, and P.C. Eklund, Electromagnetic interference (EMI) shielding of single-walled carbon nanotube epoxy composites, Nano Lett. 6, 1141–1145 (2006),
http://dx.doi.org/10.1021/nl0602589
[5] M.T. Connor, S. Roy, T.A. Ezguerra, and F.Z. Balta Calleja, Broadband ac conductivity of conductor-polymer composites, Phys. Rev. B 57, 2286–2294 (1998),
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.57.2286
[6] P. Mandal, A. Neumann, A.G.M. Jansen, and P. Wyder, Temperature and magnetic-field dependence of the resistivity of carbon-black polymer composites, Phys. Rev. B 55, 452–456 (1997),
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.55.452
[7] A. Mdarhi, C. Brosseau, M. Zaghiroui, and I. El Aboudi, Electronic conduction and microstructure in polymer composites filled with carbonaceous particles, J. Appl. Phys. 112, 034118 (2012),
http://dx.doi.org/10.1063/1.4740239
[8] C.P.L. Rubinger, M.Y. Leyva, B.G. Soares, G.M. Ribeiro, and R.M. Rubinger, Hopping conduction on carbon black/styrene-butadienestyrene composites, J. Mater. Sci. 47, 860–865 (2012),
http://dx.doi.org/10.1007/s10853-011-5864-2
[9] K.M. Jäger, D.H. McQueen, and J. Vilčákova, Ac conductance and capacitance of carbon black polymer composites during thermal cycling and isothermal annealing, J. Phys. D: Appl. Phys. 35, 1068–1075 (2002),
http://dx.doi.org/10.1088/0022-3727/35/10/316
[10] M. Hindermann-Bischoff and Fr. Erburger-Dolle, Electrical conductivity of carbon black–polyethylene composites: Experimental evidence of the change of cluster connectivity in the PTC effect, Carbon 39, 375–382 (2001),
http://dx.doi.org/10.1016/S0008-6223(00)00130-5
[11] J. Macutkevic, D. Seliuta, G. Valusis, J. Banys, S. Hens, V. Borjanovic, V. Kuznetsov, and O. Shenderova, Effect of thermal conditions on the properties of onionlike-carbon based polymer composite, Composites Sci. Technol. 70, 2298–2303 (2010),
http://dx.doi.org/10.1016/j.compscitech.2010.09.008
[12] V.L. Kuznetsov, Yu.V. Butenko, A.L. Chuvilin, A.I. Romanenko, and A.V. Okotrub, Electrical resistivity of graphitized ultra-disperse diamond and onion-like carbon, Chem. Phys. Lett. 336, 397–404 (2001),
http://dx.doi.org/10.1016/S0009-2614(01)00135-X
[13] J. Jamnik, Impedance spectroscopy of mixed conductors with semi-blocking boundaries, Solid State Ionics 157, 19–28 (2003),
http://dx.doi.org/10.1016/S0167-2738(02)00183-2
[14] J. Macutkevic, J. Banys, and A. Matulis, Determination of distribution of the relaxation times from dielectric spectra, Nonlin. Analysis Model. Control 9, 75–84 (2004),
http://www.mii.lt/na/issues/NA_0901/NA09105.pdf
[15] B.J.P. Adohi, A. Mdarhri, C. Prunier, B. Haidar, and C. Brosseau, A comparison between physical properties of carbon black-polymer and carbon nanotubespolymer composites, J. Appl. Phys. 108, 074108 (2010),
http://dx.doi.org/10.1063/1.3486491
[16] D. Bychanok, P. Kuzhir, S. Maksimenko, S. Bellucci, and C. Brosseau, Characterizing epoxy composites filled with carbonaceous nanoparticles from dc to microwave, J. Appl. Phys. 113, 124103 (2013),
http://dx.doi.org/10.1063/1.4798296
[17] S.H. Park, P. Thielemann, P. Asbeck, and P.R. Bandaru, Enhanced dielectric constants and shielding effectiveness of uniformly dispersed, functionalized carbon nanotube composites, Appl. Phys. Lett. 94, 243111 (2009),
http://dx.doi.org/10.1063/1.3156032