Non-destructive testing of graphene/epoxy composites using terahertz waves

Abstract

Earlier experiments have shown that composites that include carbon fibers can exhibit significant transmission of Terahertz (THz) waves, in spite of the good electrical conductivity of carbon fibers. This observation resulted in the following question: What is the relationship between the electrical conductivity and the THz-transmission of graphene/epoxy composites? Graphene, which consists of a single layer of carbon atoms arranged in a hexagonal lattice, has attracted significant interest the last years. The unusual properties of graphene include high strength, and good conductance of electricity and heat. Mixing of graphene powder into epoxy may open up the possibility of obtaining a composite with interesting properties, for example for applications within electromagnetic shielding. Previous studies of the electrical properties of graphene/epoxy composites have been reported, but to our knowledge, Terahertz (THz) waves have not previously been used to characterize such composites. In this study, epoxy samples with dispersed graphene powder were characterized experimentally in two different ways. In the first set of experiments, the electrical conductivity of the samples was measured. In the second set of experiments, transmission of THz waves through the samples was used to retrieve the dielectric material parameters. Finally, the measured THz transmission was compared to results from the electrical conductivity measurements. It turned out that the electrical conductivity was several orders of magnitude too low to explain the absorption of THz waves. This study is of a more fundamental nature, but based on this material system, there can be immediate significance for military applications, such as radar absorbers. The same composite materials can also be relevant to other military applications.

I tidligere eksperimenter er det observert at karbonfiber/epoksy-kompositter kan transmittere Terahertz (THz)-bølger – til tross for den gode elektriske ledningsevnen til karbonfibrene. Dette formet utgangspunktet for studien beskrevet i denne rapporten: Hva er sammenhengen mellom den elektriske ledningsevnen og transmittans i THz-frekvensområdet for kompositter laget av grafén og epoksy? Grafén, som består av et enkelt lag av karbonatomer, har fått mye oppmerksomhet de siste åra. Noen av de uvanlige egenskapene er fantastisk styrke og god ledningsevne for både elektrisk strøm og varme. Når grafén blandes i epoksy, får man kompositter med interessante egenskaper, for eksempel skjerming for elektromagnetisk stråling. Det fins noe litteratur om materialets ledningsevne, men så vidt vi kan bedømme, er ikke THz-stråling blitt benyttet for å karakterisere komposittenes transmisjon. Epoksyprøver med dispergert grafénpulver ble undersøkt eksperimentelt i to forskjellige oppsett. I de første eksperimentene ble den elektriske ledningsevnen til prøvene målt. I de andre eksperimentene ble transmisjon av THz-bølger gjennom prøvene brukt til å finne de dielektriske materialparameterne. Til slutt ble resultatene fra THz-målingene sammenlignet med resultatene fra ledningsevnemålingene. Det viste seg at den elektriske ledningsevnen var flere størrelsesordener for lav til å forklare den målte absorpsjonskoeffisienten for THz-strålingen. Den rapporterte studien er av mer fundamental art, men kan umiddelbart være av betydning for grafén/epoksy-kompositter som anvendes i radarabsorbere. De samme komposittmaterialene kan også være relevante for andre militære anvendelsesområder.