مقاله انگلیسی رایگان

ترجمه فارسی رایگان 

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

چکیده
گرافن، یک هیبرید sp2 تک لایه از اتم های کربن آرایش یافته در یک شبکه دو بعدی است که صنعت الکتریکی را به دلیل خصوصیات الکتریکی استثنایی اش، به خود جلب کرده است. یکی از امیدوارکننده ترین برنامه های کاربردی این ماده، بکار بردن آن در نانوکامپوزیت های پلیمر است که در آن رابط گرافن براساس مواد است و زنجیره های پلیمری که برای توسعه فناوری ترین دستگاهها، ادغام شده اند. این فصل، خصوصیات الکتریکی چنین گرافن هایی را که براساس نانوکامپوزیت های گرافن هستند را ارائه می دهد و همچنین اثر عوامل مختلف را بر هدایت الکتریکی آنها را مورد بحث قرار می دهد. گرافن قادر است که عایق را به یک انتقال دهنده رسانا که بارگذاری قابل توجه پایینی دارد توسط ایجاد مسیرهای تراوشی برای انتقال الکترون و ساخت پلیمرهای کامپوزیت که از نظر الکتریکی رسانا هستند، تبدیل کند. اثر شرایط پردازش، پراکندگی، تجمع، اصلاح و نسبت ابعاد گرافن بر هدایت الکتریکی نانوکمپوزیت های گرافن/پلیمر نیز مورد بررسی قرار گرفته اند.
کلمات کلیدی: هدایت، پرکولاسیون یا تراوش، اصلاح پرکننده Filler، کسر حجمی، ساخت
1.مقدمه
گرافن، یک ساختار تک اتمی ضخیم، دو بعدی از sp2باند شده به اتم های کربن است که زمینه ی تحقیقات بسیار زیادی را به علت خصوصیات الکتریکی، قدرت تقویت عالی، ویژگی های فیزیکی منحصر بفرد و خصوصیات مکانیکی بالا، به خود جلب کرده است. بنابراین تحقیقات اخیر، بر توسعه عملکرد بالا نانوکامپوزیت های پلیمر با بهره مندی از نانوتکنولوژی گرافن به منظور رسیدن به مواد کامپوزیت جدید برای طیف گسترده ای از زمینه های صنعتی متمرکز شده اند. گرافن بطور چشمگیری خصوصیات پلیمر ها براساس کامپوزیت ها را در بارگذاری بسیار پایین بهبود می بخشد و جذاب ترین ویژگی آن، هدایت سطحی بسیار بالایی است که منجر به تشکیل کامپوزیت های پلیمر رسانای متعددی می گردد. چنین نانوکامپوزیت های گرافن بطور گسترده ای در مواد آنتی استاتیک، حفاظت از تداخل الکترومغناطیسی (EMI)، حسگرهای شیمیایی، صفحات دو قطبی برای سلولهای سوختی و غیره کاربرد دارند. دیگر برنامه های کاربردی ممکن شامل حفاظت از تداخل فرکانس رادیویی برای دستگاههای الکترونیکی و پراکندگی الکتروستاتیک می باشند(3-1).
کامپوزیت های گرافن با استفاده از روش های پردازش معمولی، می توانند به راحتی اجزای پیچیده ای را با حفظ عالی ساختار و خصوصیات بسازند. این امر برای استفاده کامل از خصوصیات مهم گرافن، اهمیت دارد. گرافن در مقایسه با نانولوله های کربن (CNTs), نسبت سطح به حجم بالاتری دارد که به علت عدم دسترسی سطح داخلی لوله CNT’s به مولکولهای پلیمر است. این باعث می شود که گرافن بطور بالقوه برای بهبود ویژگی های ماتریس های پلیمری مانند خصوصیات الکتریکی، مناسب تر و مطلوب تر باشد. بنابراین کامپوزیت های پلیمری که براساس گرافن هستند، مورد علاقه زمینه صنعتی و تحقیقات دانشگاهی هستند (3).
این فصل یک مرور کلی بر خصوصیات نانوکامپوزیت های پلیمری براساس گرافن را ارائه می دهد. شرح مختصری در مورد سنتز و خصوصیات گرافن نیز در این فصل گنجانده شده است. از آنجا که کتاب کنونی به کاربرد نانوکامپوزیت های گرافن در زمینه های مختلف الکترونیک قابل پوشش و انعطاف پذیر می پردازد، تصور می شود که این فصل، اهمیت بسیاری در هدایت الکتریکی پایه برای برنامه های کاربردی گرافن داشته باشد. پس از ارائه دادن یک طرح کلی در مورد خصوصیات الکتریکی کامپوزیت های پلیمر گرافن، عوامل مختلف موثر بر هدایت و رسانایی مانند نسبت ابعاد فیلر یا پرکننده، پراکندگی، اصلاح سطح گرافن و غیره نیز در اینجا مورد بحث قرار خواهند گرفت. پدیده آستانه نفوذ یا تراوش نیز به تصویر کشیده شده است و در نهایت این فصل با معرفی برخی از برنامه های کاربردی جدید به پایان می رسد.
2. سنتز (ساخت) و خصوصیات
2.1 سنتز گرافن
گرافیت در هر دو شکل منابع طبیعی و منابع سنتزی به مقدار زیاد در دسترس و موجود است و نسبتا ارزان قیمت است (4). مشتقات اصلی گرافیت شامل EG، اکسید گرافیت، نانوپلت های گرافن (GNP), اکسید گرافن (GO), اکسید گرافن کاهشی (RGO), و گرافن می باشند. از آنجا که ویژگی های الکترونیکی، فوتونیکی (نوری)، مکانیکی و حرارتی گرافن به تعداد لایه ها (گرافن های تک لایه (ML), دو لایه (BL), و سه لایه (TL) دارای اهمیت عملی هستند) و ساختار کریستالی آن بستگی دارد ، کنترل سنتز گرافن با لایه تعریف شده، نیز نسبتا قابل توجه است. روش پیلینیگ مکانیکی که با استفاده از آن گرافن برای اولین بار ساخته شد (6)، برای مقیاس های صنعتی تولید مورد استفاده قرار نگرفت. مشتقات GO و RGO معمولا از طریق اکسیداسیون بر پایه محلول و عمل کاهش با استفاده از روش های حرارتی و شیمیایی سنتز می شوند، درحالیکه لایه های گرافن با ویژگی های انتقال الکترون برتر، همیشه با استفاده از روش های خشک مانند رسوب بخار شیمیایی (CVD) و جداسازی سطح سنتز می شوند (13-6). اگرچه بیش از 95% گرافن ها بر فویل های مس رشد می کنند (5)، اما این رشد همبافته نیست و بنابراین رشد کامل بر روی تمام سوبسترا همچنان به عنوان یک چالش یاقی مانده است. ثابت شده است که سطح نیکل (Ni(III بهترین سوبسترا برای رشد همبافته گرافن های همگن از نظر ساختاری هستند که به دلیل عدم تطابق شبکه های کوچک این سطح با گرافن و گرافیت های پیرولیتی محوری می باشد (14). اما این روش به دلیل انحلال کربن در نیکل، زیان هایی دارد، و درنتیجه دستیابی به ضخامت در سراسر سوبسترا، مشکل است. اخیرا روش ساده جداسازی سطح (17-15) برای حل این مشکل و رشد همبافته گرافن بر روی فیلم نیکل (ضخامت تقریبا 100 نانومتر) معرفی شده است (18). اسپکتروسکوپی رامان و میکروسکوپی تونلی روبشی (STM) ، همگنی و یکنواختی لایه گرافن را بر تمام فیلم نیکل تایید می کنند (21-19).

بخشی از مقاله انگلیسی:

Abstract

Graphene, a monolayer of sp2 hybridized carbon atoms arranged in a two dimensional lattice has attracted electronic industrial interest due to its exceptional electrical properties. One of the most promising applications of this material is in polymer nanocomposites in which the interface of graphene based materials and polymer chains merge to develop the most technologically promising devices. This chapter presents the electrical properties of such graphene based polymer nanocomposites and also discusses the effect of various factors on their electrical conductivity. Graphene enables the insulator to conductor transition at significantly lower loading by providing percolated pathways for electron transfer and making the polymers composite electrically conductive. The effect of processing conditions, dispersion, aggregation, modification and aspect ratio of graphene on the electrical conductivity of the graphene/polymer nanocomposites is conferred.

Keywords Conductivity · Percolation · Filler modification · Volume fraction · Fabrication

1 Introduction

Graphene, a two-dimensional, single-atom-thick structure of sp2 bonded carbon atoms, has attracted tremendous research interest due to their excellent reinforcement, electrical properties, unique physical characteristics and high mechanical properties. Therefore, recent research has focused on developing high performance polymer nanocomposites, with the benefit of graphene nanotechnology, to achieve novel composite materials for a wide range of industrial fields. Graphene dramatically improves the properties of polymer based composites at a very low loading and its most fascinating property is the very high surface conductivity leading to the formation of numerous electrically conductive polymer composites. Such conducting graphene nanocomposites have been widely applied in anti-static materials, electromagnetic interference (EMI) shielding, chemical sensor, bipolar plates for fuel cells etc. Other possible applications include radio-frequency interference shielding for electronic devices and electrostatic dissipation [1–3]. By using conventional processing methods, graphene composites can be easily fabricated into intricately shaped components with excellent preservation of the structure and properties. This is very important to make full use of the outstanding properties of graphene. Compared with carbon nanotubes (CNTs), graphene has a higher surface-to-volume ratio because of the inaccessibility of the CNT’s inner tube surface to polymer molecules. This makes graphene potentially more favorable for improving the properties of polymer matrices, such as electrical properties. Therefore, graphene-based polymer composites have attracted both academic and industrial interest [3]. The present chapter gives an overview of the electrical properties of graphene based polymer nanocomposites. A brief description about the synthesis and characterization of graphene is also included in this chapter. Since the present book deals with the applications of graphene nanocomposites in various fields of flexible and wearable electronics, we think this chapter is of much significance as electrical conductivity is the basis for graphene’s such applications. After giving an outline about the electrical properties of graphene polymer composites, the various factors affecting the conductivity such as filler aspect ratio, dispersion, modification of graphene surfaces etc. are also discussed here. The phenomenon of percolation threshold is also well pictured and finally this chapter ends with a few applications.

2 Synthesis and Characterization

2.1 Synthesis of Graphene

Graphite is available in large quantities as in the form of both natural and synthetic sources and is rather inexpensive [4]. The main graphite derivatives include EG, graphite oxide, graphene nanoplatelets (GNP), graphene oxide (GO), reduced graphene oxide (RGO), and graphene. Because the electronic, photonic, mechanical, and thermal properties of graphene depend on the number of layers [5] [although the monolayer (ML), bi-layer (BL), and tri-layer (TL) graphenes have practical significance] and its crystalline structure, the controlled synthesis of graphene with defined layers is rather significant. The mechanical peeling method by which graphene is first produced [6] is not used for an industrial scale of production. The GO and RGO derivatives are usually synthesized via solution-based oxidation and reduction by thermal and chemical methods, whereas graphene layers with superior electron transport characteristics are always synthesized using dry methods such as chemical vapor deposition (CVD) and surface segregation [6–13]. Although more than 95 % of graphene has been grown on Cu foil [5], this growth was not epitaxial, and thus complete growth over the entire substrate remains a major challenge. The surface of Ni(III) proved to be the best substrate for the epitaxial growth of structurally homogeneous graphene due to the small lattice mismatch of this surface with that of graphene and highly oriented pyrolytic graphite [14]. However, this method suffers from the disadvantage of carbon solubility in nickel, and thus achieving uniform thickness throughout the substrate is difficult. The simple method of surface segregation [15–17] was recently introduced to solve this problem and to epitaxially grow graphene over Ni film (~100 nm thick) [18]. Raman spectroscopy and scanning tunneling microscopy (STM) verified the homogeneity of the graphene layer over the entire Ni film [19–21].