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目前，聚合物復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于電磁屏蔽、電子封裝、結(jié)構(gòu)增強(qiáng)、雷達(dá)吸收、加熱元件和高密度電容器中。其中，含碳納米管(CNT)的多組分聚合物復(fù)合材料由于其優(yōu)異的電性能和機(jī)械性能逐漸成為了研究熱點(diǎn)。對(duì)于該類材料而言，填料組分往往較為復(fù)雜，碳納米管組分主要依靠其優(yōu)異的導(dǎo)電性和高的長徑比在材料中以盡可能少的含量構(gòu)筑導(dǎo)電通路。此外，研究者往往還將加入顆粒組分（如二氧化硅、碳酸鈣和硫酸鋇等）實(shí)現(xiàn)體系的強(qiáng)化和增韌。然而，引入這種顆粒作為第二組分填料時(shí)，根據(jù)經(jīng)典的體積排阻理論，碳納米管將更容易聚集構(gòu)筑導(dǎo)電通路，導(dǎo)電性增強(qiáng)，當(dāng)然同時(shí)也將抑制碳管相互連接，從而使導(dǎo)電性下降。同時(shí)，第二組分填料的尺寸大小也與上述情況的發(fā)生息息相關(guān)，但學(xué)界目前對(duì)于多組分聚合物復(fù)合材料的電阻率或?qū)щ娦宰兓?guī)律始終處于探索階段。

基于此背景，近日，韓國崇實(shí)大學(xué)的Sung-Hoon Park教授聯(lián)合高麗大學(xué)的Sang Hyun Lee教授以及來自航空大學(xué)、首爾大學(xué)、工業(yè)研究院、仁荷大學(xué)和三星電子的研究人員在在國際著名刊物《Nature Communications》上發(fā)表了名為“Modeling the electrical resistivity of polymercomposites with segregated structures”的論文。研究者通過Matlab軟件建立了如圖1所示的模型，即對(duì)于碳納米管在聚合物中的分布采用纖維隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)于球狀第二組分填料的分布采用奶酪模型，并將這兩種模型組裝形成最終模擬的模型，計(jì)算整體的電阻率并觀察結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的填料在聚合物基體中的分布情況。另一方面，研究者以聚二甲基硅氧烷（PDMS）為基體，填充10-15μm的多壁碳納米管（MWCNTs），同時(shí)，分別利用微米級(jí)（直徑3-7 μm）和納米級(jí)（直徑10-20 nm）的二氧化硅顆粒作為第二組分填料，通過電鏡分析兩種填料在基體的分布情況，并測(cè)試材料的電阻率，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論模擬進(jìn)行對(duì)照對(duì)比。

圖1. (a) 含第二組分填料的復(fù)合材料模型；(b) (c) 奶酪模型；(d) (e) 纖維隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型；(f) 多組分填料/聚合物復(fù)合材料模型.

圖2. 復(fù)合材料的示意圖和TEM圖：(a) (b) CNTs/PDMS復(fù)合材料；(c) (d) CNTs-Nano SiO₂/PDMS復(fù)合材料；(e) (f) CNTs-Micro SiO₂/PDMS復(fù)合材料.

圖3. 實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到不同填料量的多組分聚合物復(fù)合材料的電阻率.

圖4. 理論模擬得到不同填料量的多組分聚合物復(fù)合材料的電阻率.

如圖3，4所示，研究者結(jié)合實(shí)驗(yàn)和理論模擬的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)填充納米級(jí)第二組分填料時(shí)，復(fù)合材料整體的電阻率提高，導(dǎo)電性下降；而當(dāng)填充微米級(jí)第二組分填料時(shí)，復(fù)合材料整體的電阻率下降，導(dǎo)電性提高。理論模擬還指出這一變化的臨界值為第二組分填料的尺寸為500 nm時(shí)。作者認(rèn)為，根據(jù)經(jīng)典的體積排阻理論，填充微米級(jí)第二組分填料將有效抑制碳納米管的隨機(jī)分布，有利于導(dǎo)電通路的形成，而填充納米級(jí)第二組分填料由于其尺寸過小，則將抑制碳納米管的連接，使得材料整體的電阻率上升，導(dǎo)電性能下降。該研究將為未來構(gòu)筑多組分聚合物復(fù)合材料并研究其電學(xué)性能提供思路與指導(dǎo)。更多濾芯膠請(qǐng)?jiān)L問www.jbmtpc.com