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《Nature》子刊:復(fù)合材料中的填料是納米級好還是微米級好?

2019/6/23 15:50:40??????點擊:

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、雷達吸收、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)異的電性能和機械性能逐漸成為了研究熱點。對于該類材料而言,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)實現(xiàn)體系的強化和增韌。然而,引入這種顆粒作為第二組分填料時,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,當(dāng)然同時也將抑制碳管相互連接,從而使導(dǎo)電性下降。同時,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,即對于碳納米管在聚合物中的分布采用纖維隨機網(wǎng)絡(luò)模型對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,分別利用微米級(直徑3-7 μm)納米級(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,并測試材料的電阻率,將實驗數(shù)據(jù)與理論模擬進行對照對比。

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. 實驗測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)合實驗和理論模擬的結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)填充納米級第二組分填料時,復(fù)合材料整體的電阻率提高,導(dǎo)電性下降;而當(dāng)填充微米級第二組分填料時,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。作者認(rèn)為,根據(jù)經(jīng)典的體積排阻理論,填充微米級第二組分填料將有效抑制碳納米管的隨機分布,有利于導(dǎo)電通路的形成,而填充納米級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)。更多濾芯膠請訪問s1l6e.cn