Dielectric and EM properties of carbon filled epoxy resin

This thesis deals with the dielectric and absorbing properties at microwaves (x-band) of epoxy resin filled nanocomposites. Three different carbonaceous nanofillers were used in the experimental: carbon black (CB), carbon nanofibers (CNF) and carbon nanotubes (CNT). Moreover, various dispersion processes of nanofiller in the resin were tried, in order to analyze the effect of filler distribution on the dielectric properties of the resulting composites. Permittivity was measured using a vector network analyzer in x-band (8,2-12,4 GHz) using the waveguide method. Samples morphology was studied by FEG-SEM. Using the equivalent circuit analogy, a link between samples morphology and permittivity was attempted. The suitability of these materials as electromagnetic microwaves absorbers was finally assessed. In carbon black samples, realized using fillers with different specific surface areas, the filler distribution within the resin is very different, producing small short branched clusters when using high surface areas filler, and long thick and meandering aggregates in the other case. In both samples the clusters are close to cylindrical shape and may be seen as parallel cylinders capacitors in the resin. As a consequence, high surface area samples present lower values of real permittivity (that takes into account capacity of the system), due to the smaller length of capacitor plates, but higher imaginary permittivity (linked to conductivity and dissipations effects) because, as noted above, the clusters are closely spaced, permitting the activation of hopping and tunnelling conduction modes. CB samples showed good performances as EM absorbers, reaching a peak of -38 dB using a sample 4 mm thick. In samples loaded with high aspect ratio (CNF and CNT) the key parameter is their dispersion in the resin. In CNF experimentation, despite the use of different methodologies, an unsatisfying dispersion was achieved, with the resulting microstructure made of aggregates. The EM measurements highlighted that the higher the number and the smaller the dimension of the aggregates, the higher are ε’ and ε”,for the same reason found in the case of CB. With CNT, instead, very good dispersions were achieved, by means of the aid of surfactants and of a more powerful sonicator. The results demonstrate again that permittivity is linked to microstructure, with the same trend established with the other type of nanofillers. Nevertheless, in this case, a new evidence was found highlighting that there is an optimum level of dispersion, above which the CNT do not interact each other, resulting in very high ε’ and very low ε”, since dissipation through Joule effect is limited. The absorbing performance of CNF and CNT demonstrate that too much filler, or too much dispersion of it (i.e. Low ε”), bring to a mostly reflective medium, with low absorbing performance. An optimum formulation needs, therefore, to be found for every system as a compromise among material composition, microstructure and thickness. Part of the experimental work (most of chapter 6 ) was carried out during the author secondment to Monash University (Clayton, Victoria Australia) under the supervision of Prof. George Simon.

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.