Dielectric and EM properties of carbon filled epoxy resin

Abstract

Questa tesi riguarda le proprietà dielettriche e di assorbimento alle microonde della resina epossidica caricata di nanocariche. Tre differenti nanocariche a base di carbonio sono state usate in questa tesi: Carbon black (CB) nanofibre di carbonio (CNF) e nanotubi di carbonio (CNT). Inoltre,sono stati provati vari processi di dispersione delle nanocariche nella resina, per analizzare gli effetti della distribuzione delle nanocariche sulle proprietà dielettriche dei composti che ne risultavano. È stata misurata la permettività usando un sistema VNA nella banda-X (8,2-12,4 GHz) usando il metodo della guida d’onda. La morfologia dei campioni è stata studiata con un sistema FEG-SEM. usando il modello del circuito equivalente è stata tentata una connessione tra la morfologia dei campioni e la permettività. Infine si è giunti alla conclusione se questi materiali sono adatti ad essere usati come materiali che assorbenti le microonde elettromagnetiche. Nei campioni di CB, realizzati usando cariche con differenti aree di superficiali specifiche la distribuzione delle cariche nella resina é differente, quando si usano cariche di alta area di superficiale producendo piccoli corti clusters ramificati, e nell’altro caso aggregati lunghi spessi e serpeggianti. In entrambi i casi i clusters sono vicini a una forma cilindrica e possono essere visti come condensatori a cilindri paralleli, immersi nella resina. Di conseguenza, i campioni di alta area di superficie presentano valori più bassi di permettività reale (misura la capacita del sistema), dovute alla minore lunghezza dei clusters (armature dei condensatori), ma una maggiore permettività immaginaria (legata agli effetti della conduttività e della dispersione) perché come è stato fatto notare precedentemente i clusters sono disposti in maniera molto ravvicinata permettendo l’attivazione di modelli di conduzione hopping and tunnelling. i campioni CB hanno dimostrato buoni risultati come assorbitori di EM raggiungendo un picco di 38dB usando un campione spesso 4mm. Nei campioni caricati con cariche con alto aspect ratio (CNF e CNT) il parametro principale è la loro dispersione nella resina,nelle prove con campioni caricati con CNF, nonostante l’uso di metodologie differenti,è stata raggiunta una dispersione non soddisfacente,con la microstruttura risultante composta di aggregati. Le misurazioni EM hanno messo in luce che maggiore il numero e più piccola la dimensione degli aggregati,maggiori sono ε’ e ε” per la stessa ragione trovata nel caso dei campioni caricati con CB. Nel caso dei campioni CNT, invece una dispersione veramente buona stata raggiunta con l’aiuto di un surfactante ed un sonicatore più potente. I risultati dimostrano di nuovo che la permettività è legata alla microstruttura, con la stessa tendenza stabilita con altri tipi di nanocariche, tuttavia,in questo caso è stata rinvenuto un nuovo caso che mette in luce che c’è un ottimo livello di dispersione sopra quale i CNT non interagiscono tra di loro risultando in un ε’ molto alto e in un ε” molto basso visto che la dispersione attraverso l’effetto Joule è limitata. Le prestazioni di assorbimento di CNF e CNT dimostra che sia una percentuale troppo elevata sia la troppa dispersione porta ad un materiale soprattutto riflettente, con basse prestazioni di assorbimento. Un buon compromesso, perciò ,deve essere trovato per ogni sistema come compromesso tra la composizione del materiale, la microstruttura e lo spessore. Parte del lavoro sperimentale e stata condotta presso l’università di Monash (Clayton, Victoria Australia) sotto la supervisione del Prof. George Simon.