Топологічні особливості формування провідної мережі в металополімерних композитах з різними розмірами частинок наповнювача
Анотація
Було досліджено топологію нескінченного кластера в полімерних композитах, що містять мікро- та наночастинки Ni, що дозволило кількісно оцінити, як розмір провідних частинок впливає на перколяційний перехід та структуру провідної мережі. Використання нанорозмірного Ni знижує критичну концентрацію до Vs ≈ 0,105 порівняно з Vs ≈ 0,21 для мікрочастинок, збільшує параметр σ₁ більш ніж на порядок та призводить до різкішого, більш локалізованого перколяційного переходу. Кластерна структура демонструє виражені фрактально-ієрархічні особливості: фрактальна розмірність остова становить 1,6‑1,8, а звисаючих кінців – 1,9-2,1. Щільність кластерів, радіус кореляції та топологічні параметри відповідають степеневим співвідношенням, типовим для тривимірної перколяції (ν = 0,85). При високих концентраціях провідної фази (V ≥ 0,3) асимптотична провідність досягає 63 Ω⁻¹·см⁻¹ у нанокомпозитах порівняно з 8 Ω⁻¹·см⁻¹ для матеріалів на основі мікрочастинок. Ці результати підтверджують високу ефективність наночастинок нікелю у формуванні протяжної, взаємопов'язаної та розгалуженої провідної мережі, що забезпечує основу для високопровідних композитів наступного покоління.
Завантаження
Посилання
Ye.P. Mamunya, V. Davydenko, P. Pissis, and E.V. Lebedev, “Electrical and thermal conductivity of polymers filled with metal powders,” European Polymer Journal, 38(9), 1887-1897 (2002). https://doi.org/10.1016/S0014-3057(02)00064-2
R. Zakirov, and F. Giyasova, “Application of Fiber-Optic Sensors for the Aircraft Structure Monitoring,” in: Safety in Aviation and Space Technologies. Lecture Notes in Mechanical Engineering, edited by A. Bieliatynskyi, and V. Breskich, (Springer, Cham., 2022). https://doi.org/10.1007/978-3-030-85057-93
Sh.I. Klychev, S.A. Bakhramov, O.R. Parpiev, M.S. Paizullakhanov, L.S. Suvonova, D.E. Kadyrgulov, E.K. Matjanov, & F.A. Giyasova, “Optical-Energy Characteristics and Heating Temperatures in Small Single-Mirror Solar Furnaces,” Applied Solar Energy, 60(5), 703-707 (2025). https://doi.org/10.3103/S0003701X24602394
A. Prokopchuk, I. Zozulia, Yu. Didenko, and D. Tatarchuk, “Henning Heuer and Yuriy Poplavko. Dielectric Permittivity Model for Polymer–Filler Composite Materials by the Example of Ni- and Graphite-Filled Composites for High-Frequency Absorbing Coatings,” Coatings, 11(2), 172 (2021). https://doi.org/10.3390/coatings11020172
N. Sarikhani, Z.S. Arabshahi, A.A. Saberi, and A.Z. Moshfegh, “Unified modeling and experimental realization of electrical and thermal percolation in polymer composites,” Appl. Phys. Rev. 9, 041403 (2022). https://doi.org/10.1063/5.0089445
M. Majidian, C. Grimaldi, L. Forró, & A. Magrez, “Role of the particle size polydispersity in the electrical conductivity of carbon nanotube-epoxy composites,” Scientific Reports, 7, 12553 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-12857-8
J. Payandehpeyman, and M. Mazaheri, “Geometrical and physical effects of nanofillers on percolation and electrical conductivity of polymer carbon-based nanocomposites: a general micro-mechanical model,” Soft Matter, 19, 530-539 (2023). https://doi.org/10.1039/D2SM01168A
M.-Á.M. Cruz, J.P. Ortiz, M.P. Ortiz, and A. Balankin, “Percolation on Fractal Networks: A Survey,” Fractal Fract. 7(3), 231 (2023). https://doi.org/10.3390/fractalfract7030231
X. Nan, Y. Zhang, J. Shen, R. Liang, J. Wang, L. Jia, X. Yang, et al., “A Review of the Establishment of Effective Conductive Pathways of Conductive Polymer Composites and Advances in Electromagnetic Shielding,” Polymers, 16(17), 2539 (2024). https://doi.org/10.3390/polym16172539
X. Chao, W. Tian, F. Xu, & D. Shou, “A fractal model of effective mechanical properties of porous composites,” Composites Science and Technology, 213, Article 108957 (2021). https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2021.108957
R.M. Mutiso, and K.I. Wineyn, “7.17 - Electrical Conductivity of Polymer Nanocomposites,” Polymer Science: A Comprehensive Reference, 7, 327-344 (2012). https://doi.org/10.1016/B978-0-444-53349-4.00196-5
F. Pargi, P.L. Teh, S. Husseinsyah, and C.K. Yeoh, “Recycled-copper-filled epoxy composites: the effect of mixed particle size,” International Journal of Mechanical and Materials Engineering, 10(1), (2015). https://doi.org/10.1186/s40712-015-0030-2
I.Y. Forero-Sandoval, A.P. Franco-Bacca, F. Cervantes-Álvarez, C.L. Gómez-Heredia, J.A. Ramírez-Rincón, J. Ordonez-Miranda, and J.J. Alvarado-Gil, “Electrical and thermal percolation in two-phase materials: A perspective,” J. Appl. Phys. 0131, 230901 (2022). https://doi.org/10.1063/5.0091291
L. Zhang, W. Wang, X. Wang, P. Bass, and Z.-Y. Cheng, “Metal-polymer nanocomposites with high percolation threshold and high dielectric constant,” Appl. Phys. Lett. 103, 232903 (2013). https://doi.org/10.1063/1.4838237
T. Kasagi, K. Goda, & S. Yamamoto, “Complex Permittivity Spectra of Granular Polymer Composites with Dispersed Ag-Coated Cu Flakes,” J. Electron. Mater, 53, 7865-7875 (2024). https://doi.org/10.1007/s11664-024-11450-w
J. Agrisuelas, R. Balart, J.J. García-Jareño, J. López-Martínez, and F. Vicente, “A Macroscopic Interpretation of the Correlation between Electrical Percolation and Mechanical Properties of Poly - (Ethylene Vinyl Acetate)/Zn Composites,” Materials, 17(11), 2527 (2024). https://doi.org/10.3390/ma17112527
Y. Wang, H.A. Moghaddam, J.P. Moreno, and P. Mertiny, “Magnetic Filler Polymer Composites-Morphology Characterization and Experimental and Stochastic Finite Element Analyses of Mechanical Properties,” Polymers, 15(13), 2897 (2023). https://doi.org/10.3390/polym15132897
G.V. Martyniuk, and O.I. Aksimentyeva, “Percolation phenomena in the polymer composites with conducting polymer fillers,” Physics and Chemistry of Solid State, 22(4), 811-816 (2021). https://doi.org/10.15330/pcss.22.4.811-816
S.-U. Kim, and J.-Y. Kim, “Dynamic Statistical Mechanics Modeling of Percolation Networks in Conductive Polymer Composites for Smart Sensor Applications,” Materials, 18(13), 3097 (2025). https://doi.org/10.3390/ma18133097
Z. Zhang, L. Hu, R. Wang, S. Zhang, L. Fu, M. Li, and Q. Xiao, “Advances in Monte Carlo Method for Simulating the Electrical Percolation Behavior of Conductive Polymer Composites with a Carbon-Based Filling,” Polymers, 16(4), 545 (2024). https://doi.org/10.3390/polym16040545
F.R. Beltrán, H. Aksas, L.S. Salah, Y. Danlée, and I. Huynen, “Theoretical Prediction of Electrical Conductivity Percolation of Poly (lactic acid)-Carbon Nanotube Composites in DC and RF Regime,” Materials, 16(15), 5356 (2023). https://doi.org/10.3390/ma16155356
Y. Huang, C. Ellingford, C. Bowen, T. McNally, D. Wu, & C. Wan, “Tailoring the electrical and thermal conductivity of multi-component and multi-phase polymer composites,” International Materials Reviews, 65(3), 129-163 (2020). https://doi.org/10.1080/09506608.2019.1582180
H. Liu, X. Ji, W. Wang, and L. Zhou, “3D-Networks Based Polymer Composites for Multifunctional Thermal Management and Electromagnetic Protection: A Mini Review,” Materials, 17(10), 2400 (2024). https://doi.org/10.3390/ma17102400
A.A. Reffaee, A.A. Ward, & A.I. Khalaf, “Structural, magnetic and dielectric properties of waste magnetic filler rubber nanocomposites,’ Polym. Bull. 81, 3081-3105 (2024). https://doi.org/10.1007/s00289-023-04835-0
A. Gunya, J. Kúdelčík, Š. Hardoň, and M. Janek, “Thermodielectric Properties of Polyurethane Composites with Aluminium Nitride and Wurtzite Boron Nitride Microfillers: Analysis Below and near Percolation Threshold,” Sensors, 25(13), 4055 (2025). https://doi.org/10.3390/s25134055
O.I. Vernaya, V.V. Epishev, M.A. Markov, V.A. Nuzhdina, V.V. Fedorov, V.P. Shabatin, T.I. Shabatina, “Synthesis of Copper Nanoparticles by Thermal Decomposition of Anhydrous Copper Formate,” Moscow Univ. Chem. Bull. 72, 267–268 (2017). https://doi.org/10.3103/S0027131417060074
G. Yurkov, A. Kozinkin, S. Kubrin, A. Zhukov, S. Podsukhina, V. Vlasenko, A. Fionov,et al., “Nanocomposites Based on Polyethylene and Nickel Ferrite: Preparation, Characterization, and Properties,” Polymers, 15(19), 3988 (2023). https://doi.org/10.3390/polym15193988
S.V. Roth, R. Döhrmann, M. Dommach, M. Kuhlmann, I. Kröger, R. Gehrke, H. Walter, et al., Small-angle options of the upgraded ultrasmall-angle x-ray scattering beamline BW4 at HASYLAB,” Rev. Sci. Instrum. 77, 085106 (2006). https://doi.org/10.1063/1.2336195
A. Umarov, U. Abdurakhmanov, Ya. Raximova, M. Karaboeva, D. Saidqulov, and F. Boymuratov, “Study of the electro and thermophysical properties of composite ceramic materials containing nickel nanoparticles,” E3S Web of Conferences (XXVI International Scientific Conference “Construction the Formation of Living Environment” (FORM-2023), 410, 02060 (2023). https://doi.org/10.1051/e3sconf/202341002060
G. Psarras, “Conductivity and dielectric characterization of polymer nanocomposites,” in: Physical Properties and Applications of Polymer Nanocomposites, (2010), pp.31-69. https://doi.org/10.1533/9780857090249.1.31
A.S. Skal, & B.I. Shklovskii, “Topology of an infinite cluster in the theory of percolation and its relationship to the theory of hopping conduction,” Sov. Phys. Semicond. 8(8), 1029-1032 (1975).
R. Ma, G. Mu, H. Zhang, and J. Liu, “Percolation analysis of the electrically conductive network in a polymer nanocomposite by nanorod functionalization,” RSC Advances, 9(62), 36324-36333 (2019). https://doi.org/10.1039/C9RA04680A
G. Paul, S.V. Buldyrev, N.V. Dokholyan, S. Havlin, P.R. King, Y. Lee, and H.E. Stanley, “Dependence of Conductance on Percolation Backbone Mass,” Phys. Rev. E, 61, 3435 (2000). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.61.3435
A. Herega, “Some Applications of the Percolation Theory: Review of the Century Beginning,” Journal of Materials Science and Engineering A, 5(11-12), 409-414 (2015). https://doi.org/10.17265/2161-6213/2015.11-12.004
A.G. Hunt, and M. Sahimi, “Flow, Transport, and Reaction in Porous Media: Percolation Scaling, Critical-Path Analysis, and Effective Medium Approximation,” Reviews of Geophysics, 55(4), 993-1078 (2017). https://doi.org/10.1002/2017RG000558
Kh.S. Daliev, and Z.M. Khusanov, “Properties of Single Crystal Silicon Doped with Vanadium,” East European Journal of Physics, (1), 366-369 (2024). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-1-35
T.M. Razikov, S.A. Muzafarova, R.T. Yuldoshov, Z.M. Khusanov, M.K. Khusanova, Z.S. Kenzhaeva, and B.V. Ibragimov, “Growing Sb2Se3 films enriched with selenium using chemical molecular beam deposition,” East European Journal of Physics, (1), 370-374 (2024). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-1-36
Z.T. Azamatov, V.E. Gaponov, A.A. Jeenbekov, and A.B. Bakhromov, “Digital Shearograph for Detecting Defect in Materials,” Russian Microelectronics, 52, Suppl 1, S263 (2023). https://doi.org/10.1134/S106373972360019X
W. Bauhofer, and J.Z. Kovacs, “A review and analysis of electrical percolation in carbon nanotube polymer composites,” Composites Science and Technology, 69(10), 1486-1498 (2009). https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2008.06.018
O. Folorunso, Y. Hamam, R. Sadiku, S.S. Ray, and A.G. Joseph, “Parametric Analysis of Electrical Conductivity of Polymer-Composites,” Polymers, 11(8), 1250 (2019). https://doi.org/10.3390/polym11081250
I. Balberg, D. Azulay, D. Toker, and O. Millo, “Percolation and Tunneling in Composite Materials,” International Journal of Modern Physics B, 18(15), (2004). https://doi.org/10.1142/S0217979204025336
U. Abdurakhmanov, A.V. Umarov, M.I. Raximova, amd M. Karabayeva, “An Investigation of the Electrophysical Properties of Composite Ceramic Materials Containing Nickel Nanoparticles,” Research Letters in Physical Chemistry, 8, 231-239 (2023). https://doi.org/10.22036/pcr.2022.335151.2063
H. Pang, L. Xu, D.-X. Yan, and G. Zhong, “Conductive Polymer Composites with Segregated Structures,” Progress in Polymer Science, 39(11), (2014). https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2014.07.007
A.V. Karimov, D.M. Yodgorova, F.A. Giyasova, E.M. Shpilevskiy, & N.I. Usmanova, “Photovoltatic Effect in Au-nSi-Au Structures with Schottky Barriers and Features of Spectral Characteristics, Applied Solar Energy, 54, 330-332 (2018). https://doi.org/10.3103/S0003701X18050109
K.A. Ismailov, Z.M. Saparniyazova, G.T. Kudeshova, G.A. Seytimbetova, and F.A. Saparov, “Influence of doping conditions on the properties of Nickel atomic clusters,” East Eur. J. Phys. (1), 327 (2024). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-1-30
S.I. Vlasov, F.A. Saparov, and K.A. Ismailov, “Effect of pressure on the characteristics of Schottky barrier diodes made of overcompensated semiconductor,” Semiconductor physics, quantum electronics & optoelectronics, 13(4), 363-365 (2010). http://journal-spqeo.org.ua/n4_2010/v13n4-2010-p363-365.pdf
A.Yu. Leyderman, R.A. Ayukhanov, R.M. Turmanova, A.K. Uteniyazov, and E.S. Esenbaeva, “Non-recombination injection mode,” Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics, 24(3), 248-254 (2021). https://doi.org/10.15407/spqeo24.03.248
Авторське право (c) 2026 Зафарджон М. Хусанов, Фахріддін Т. Боймуратов, Сардор Г. Тойчієв
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
