《Nature》子刊:復(fù)合材料中的填料是納米級好還是微米級好?
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)和納米級(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
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