Synthesis of Carbon-Based Flexible Temperature-Controlled Semiconductive Composites

Abstract

Günümüzde, yarı iletken polimer matrisli kompozitler ve kullanım alanları araştırmacıların ilgisini çekmektedir. Ayarlanabilir sıcaklık profillerine sahip yarı iletken esnek polimer matrisli kompozitler, robotik, havacılık ve enerji sektörlerinde kullanım alanı bulmaktadır. Ancak karbon nanotüpler, grafen veya metal nanopartiküller gibi pahalı iletken fazlarlara duyulan ihtiyaç nedeniyle üretim maliyeti yüksektir. Bu çalışma, bu tür kompozitlerin üretimi için polidimetilsiloksan matrisinde karbon siyahı ve doğal grafit gibi ucuz iletken malzemelerin kullanılmasını amaçlamaktadır. Kompozitler 'Çözelti karıştırma' yöntemiyle (%10 ila %35 metanolde) hazırlandı ve dağılabilirlik, elektriksel iletkenlik, termal tepki ve mekanik ve morfolojik özellikler açısından test edildi. Bu substratların yüzeylerinin ıslanmayan, düşük enerjili yüzeyler (Fowke teorisine göre 26 J/m2) olduğu bulundu; bu nedenle parçacıklar daha yüksek konsantrasyonlarda (>%30) topaklanma eğilimliydiler. Aglomerasyonun olumsuz sonuçlarını ortadan kaldırmak için yüzey aktif madde ilavesi kullanıldı. Karbon içeriğinin ayarlanması iletkenliği 0 ile 10,79 S/m arasında modüle edilmesini sağlamıştır. 3,17 S/m iletkenliğe sahip tipik bir kompozit, 30 V yük altında 49,7°C yüzey sıcaklığı göstermiştir. PDMS ile karşılaştırıldığında kompozitlerin mekanik özellikler olumluydu; optimum iletkenliğe ve sıcaklık tepkisine sahip bir kompozit, çekme mukavemetinde %50'lik bir düşüşe rağmen elastik modülde %97,8 ve yırtılma mukavemetinde %197 artış gösterdi. Çalışma, istenen sıcaklık profillerine sahip yarı iletken esnek kompozitlerin üretiminde önemli ekonomik potansiyelin altını çiziyor.

Semiconducting flexible polymer matrix composites with tunable temperature profiles find use in consumer goods, robotics, aerospace, and energy sectors. However, the manufacturing cost is high due to the need for expensive conductive phases, such as carbon nanotubes, graphene, or metal nanoparticles. This study aims to use inexpensive conductive materials, such as carbon blacks and natural graphite in polydimethylsiloxane matrix to manufacture such composites. The composite samples prepared by the solution-mixing approach were tested for dispersibility, electrical conductivity, thermal responsiveness, and mechanical and morphological characteristics. They displayed non-wettable and low-energy surfaces (26 J/m²) and, hence, were prone to agglomeration at high carbon contents (>30%). Surfactant addition was employed to counteract the negative consequences of agglomeration. Adjusting the carbon content could modulate conductivity between 0 and 10.79 S/m. A typical composite with 3.17 S/m conductivity showed a surface temperature of 49.7°C under a load of 30 V. Compared to bare PDMS, mechanical properties were favorable; a composite with optimal conductivity and temperature response showed increases of 97.8% in elastic modulus and 197% in tear strength, despite a 50% decrease in tensile strength. The study highlights significant economic potential in manufacturing semiconductive flexible composites with desired temperature profiles.