Modelos de condutividade em compósitos condutores por simulação de Monte Carlo no espaço contínuo

Abstract

Na presente tese foi desenvolvido um método de simulação do limiar de percolação, da condutividade elétrica e da resposta piezoresistiva para compósitos eletricamente condutores. Compósitos eletricamente condutores são compreendidos como compósitos nos quais uma matriz polimérica isolante é misturada a cargas particuladas condutoras deforma que o compósito resultante seja condutor. Nesse contexto o limiar de percolação é um valor que indica a concentração mínima do aditivo condutor para que agregados contínuos se formem no compósito e esse conduza eletricidade, e sua relevância tecnológica se deve à busca por compósitos com baixos limiares de percolação, pois uma baixa concentração de aditivos favorecem menores custos e uma melhor preservação das propriedades mecânicas e de processamento do compósito. Adicionalmente, a resposta piezoresistiva, definida como avariação da resistência elétrica em função da aplicação de uma deformação mecânica, está diretamente relacionada à aplicação dos compósitos eletricamente condutores como sensores mecânicos. O método de simulação é implantado utilizando a linguagem de programação Python e se baseia nos conceitos de teoria da percolação,percolação em espaço contínuo, percolação por tunelamento, percolação de núcleo rígido com concha macia, propriedades de deformação dos materiais e sinergia de cargas condutoras. Especificamente para a percolação em espaço contínuo, o código foi desenvolvido de forma a tratar de partículas nas formas esféricas, esfero cilíndricas e discoidais, e pode lidar com qualquer combinação destas no mesmo compósito. As características de limiar de percolação, condutividade e piezoresistência foram avaliadas em função das seguintes propriedades das partículas:tipo de geometria, razão de aspecto e alinhamento em relação ao eixo de tensão elétrica. Para fornecer validação experimental, foi desenvolvido um compósito de poli(fluoreto de vinilideno) com cargas de fibras de sílica revestidas com polipirrol e microesferas de vidro revestidas de polipirrol. Ao final do trabalho, os modelos de simulação foram capazes de prever o limiar de percolação, a condutividade e a resposta piezoresistiva de Compósitos Eletricamente Condutores. Comparação dos valores simulados de condutividade com resultados experimentais acusaram boa correlação para compósitos com fibras, mas valores mais discrepantes para compósitos com esferas.<br>

Abstract: In the present thesis a method was developed to predict the percolation threshold, electrical conductivity and piezoresisitve response of electrically conductive composites. Electrically conductive compositesencompass composites in which an insulating polymer matrix is mixedwith a particulate conductive filler in a way that the resulting compositeis electrically conductive. In this context, the percolation threshold is avalue that indicates the minimal conductive filler concentrationnecessary for the formation of continuous clusters in the composite andcause electrical conductivity. It's technological significance is due to the search for composites with low percolation thresholds, as a low filler concentration leads to lower costs, better processability and thepreservation of mechanical and processing properties of the composite. Furthermore, a piezoresistive response, defined as the change in theelectrical resistance as a function of mechanical deformation is directly related to the use of electrically conductive composites as mechanical sensors. The simulation model is implemented using the Pythonprograming language and is based on the concepts of percolation theory,continuum space percolation, tunneling percolation, hard-core soft-shell percolation, deformation properties of materials and conductive fillerssynergy. Regarding continuum space percolation, the model wasdeveloped as to manage spherical, spherocylindrical and discoidal particles, and to deal with any combination of such particles in the composite. The percolation threshold, conductivity and piezoresistivitywere evaluated taking in account the following particle properties: typeof geometry, aspect ratio and alignment to the electrical current axis. Toprovide a validation of the model, composites of poli(vinilidenefluoride) filled with polipirrole coated silica fibers and polipirrole coatedhollow glass spheres were created. Finally, the simulation models wereused to predict the percolation threshold, the conductivity and thepiezoresistive response of Electrically Conductive Composites.Comparing simulated values of conductivity with experimental results yielded good correlation for composites with fibers, but more discrepantvalues for composites with spheric particles.