【科研进展】《Nature》子刊：复合材料中的填料是纳米级好还是微米级好？

来源：中国复合材料学会

目前，聚合物复合材料已广泛应用于电磁屏蔽、电子封装、结构增强、雷达吸收、加热元件和高密度电容器中。其中，含碳纳米管(CNT)的多组分聚合物复合材料由于其优异的电性能和机械性能逐渐成为了研究热点。对于该类材料而言，填料组分往往较为复杂，碳纳米管组分主要依靠其优异的导电性和高的长径比在材料中以尽可能少的含量构筑导电通路。此外，研究者往往还将加入颗粒组分（如二氧化硅、碳酸钙和硫酸钡等）实现体系的强化和增韧。然而，引入这种颗粒作为第二组分填料时，根据经典的体积排阻理论，碳纳米管将更容易聚集构筑导电通路，导电性增强，当然同时也将抑制碳管相互连接，从而使导电性下降。同时，第二组分填料的尺寸大小也与上述情况的发生息息相关，但学界目前对于多组分聚合物复合材料的电阻率或导电性变化规律始终处于探索阶段。

基于此背景，近日，韩国崇实大学的Sung-Hoon Park教授联合高丽大学的Sang Hyun Lee教授以及来自航空大学、首尔大学、工业研究院、仁荷大学和三星电子的研究人员在在国际著名刊物《Nature Communications》上发表了名为“Modeling the electrical resistivity of polymercomposites with segregated structures”的论文。研究者通过Matlab软件建立了如图1所示的模型，即对于碳纳米管在聚合物中的分布采用纤维随机网络模型，对于球状第二组分填料的分布采用奶酪模型，并将这两种模型组装形成最终模拟的模型，计算整体的电阻率并观察结构优化后的填料在聚合物基体中的分布情况。另一方面，研究者以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为基体，填充10-15μm的多壁碳纳米管（MWCNTs），同时，分别利用微米级（直径3-7 μm）和纳米级（直径10-20 nm）的二氧化硅颗粒作为第二组分填料，通过电镜分析两种填料在基体的分布情况，并测试材料的电阻率，将实验数据与理论模拟进行对照对比。

图1. (a) 含第二组分填料的复合材料模型；(b) (c) 奶酪模型；(d) (e) 纤维随机网络模型；(f) 多组分填料/聚合物复合材料模型.

图2. 复合材料的示意图和TEM图：(a) (b) CNTs/PDMS复合材料；(c) (d) CNTs-Nano SiO2/PDMS复合材料；(e) (f) CNTs-Micro SiO2/PDMS复合材料.

图3. 实验测试得到不同填料量的多组分聚合物复合材料的电阻率.

图4. 理论模拟得到不同填料量的多组分聚合物复合材料的电阻率.

如图3，4所示，研究者结合实验和理论模拟的结果发现，当填充纳米级第二组分填料时，复合材料整体的电阻率提高，导电性下降；而当填充微米级第二组分填料时，复合材料整体的电阻率下降，导电性提高。理论模拟还指出这一变化的临界值为第二组分填料的尺寸为500 nm时。作者认为，根据经典的体积排阻理论，填充微米级第二组分填料将有效抑制碳纳米管的随机分布，有利于导电通路的形成，而填充纳米级第二组分填料由于其尺寸过小，则将抑制碳纳米管的连接，使得材料整体的电阻率上升，导电性能下降。该研究将为未来构筑多组分聚合物复合材料并研究其电学性能提供思路与指导。

来源：高分子科学前沿

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