Výzkum kompozitů a jejich modelování pomocí efektivního prostředí

Při studiu dielektrické odezvy různých kompozitů jsme dosáhli řady významných výsledků. Modelovali jsme naměřenáširokopásmová spektra (10 mHz - 10¹⁴ Hz)  teoretickými modely založenými na aproximaci efektivního prostředí (EMA). Pro modelování používáme různé modely, odvozené od mikrostruktury, topologie a konektivity kompozitů. Některé z těchto modelů byly odvozeny v našem oddělení I. Rychetským (člen teoretické skupiny). Například jsme určili a modelovali dielektrická spektra vodivého polymeru polyanilinu (PANI) jako kompozit kovové soli emeraldinu s dielektrickou bází. Střídavá elektrická vodivost core-shell kompozitu PANI s nevodivým poly(p-phenylenediaminem) byla modelována různými EMA modely, které nám umožnili určit properkolovanou část jádra PANI se slupkou ~0.1 vol%. Ve spolupráci s CSIC Llanera (Španělsko) jsme studovali teplotní závislost (10-450 K) dielektrických spekter (10² – 10¹³ Hz) v nových keramických kompozitech BaTiO₃ s NiO s normální i core-shell topologií a modelovali je pomocí různých EMA modelů, které využívaly naší znalosti spekter čistého BaTiO₃. Ve spolupráci s Technickou univerzitou v Brně jsme měřili THz a IČ spektra aluminy se silně anizotropními keramickými zrny v IČ oblasti. Ve spolupráci s Univerzitou Brock v Ontariu (Kanada), jsme detailně studovali gigantickou dielektrickou odezvu rutilové keramiky TiO₂ kodopované (Nb+In). Ukázalo se, že celá dielektrická odezva této slabě vodivé keramiky může být kompletně vysvětlená teplotně aktivovanou nehomogenní vodivostí, kde hranice zrn s tloušťkou několika nm a ~100 nm tlustá příelektrodová ochuzená vrstva mají stejnosměrnou vodivost o ~5 řádů menší vodivost než keramická zrna. Naše dielektrická spektra byla též použita pro výpočet mikrovlnné stínící schopnosti kompozitů, velmi perspektivní pro aplikace. EMA model byl také úspěšně použit pro vysvětlení anizotropních dielektrických vlastností polárních nanooblastí v relaxačních keramikách (viz výzkumný směr Relaxační feroelektrika).

Popis

Širokopásmová vodivostní spektra PPDA a jeho core-shell kompozitů s jádry PANI a PPy. Spektra čistého PANI jsou vynesena pro porovnání. Experimentální data jsou označena body, křivky zobrazují výsledky fitů a modelů. CS značí model pokrytých kuliček.

[1] D. Nuzhnyy et al., Broad-band conductivity and dielectric spectroscopy of composites of multiwalled carbon nanotubes and poly(ethylene terephthalate) around their low percolation threshold, Nanotechnology 24, 055707 (2013).

[2] J. Petzelt et al., Broadband dielectric and conductivity spectroscopy of inhomogeneous and composite conductors, Phys. Stat. Solidi A 210, 2259 (2013).  

[3] V. Bovtun et al., Wide Range Dielectric and Infrared Spectroscopy of (Nb+In) co-doped rutile ceramics, Phys. Rev. Mat. 2, 075002 (2018).