導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)筑是制備高性能導(dǎo)電復(fù)合材料的關(guān)鍵，目前廣泛采用的自組裝成網(wǎng)模式因自組裝力不足，難以得到密實(shí)的網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致復(fù)合材料的導(dǎo)電性能遠(yuǎn)低于預(yù)期值。為獲得理想導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，北京化工大學(xué)吳大鳴教授團(tuán)隊(duì)與英國華威大學(xué)Tony McNally教授團(tuán)隊(duì)開展合作研究，提出了構(gòu)建密實(shí)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的陣列錨固組裝方法：其實(shí)質(zhì)是在限制自組裝網(wǎng)絡(luò)自由度的條件下，通過機(jī)械手段，實(shí)施對松散的自組裝網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)制壓實(shí)；并通過壓縮模板上設(shè)置的微結(jié)構(gòu)陣列，對網(wǎng)絡(luò)上的填料進(jìn)行進(jìn)一步的“陣列錨固組裝”，以得到導(dǎo)電性能更高的復(fù)合材料。該成果近日以“An anchoring array assembly method for enhancing the electrical conductivity of composites of polypropylene and hybrid fillers”為題發(fā)表于《Composites Science and Technology》雜志上。
為了實(shí)現(xiàn)利用低填料含量制備高導(dǎo)電復(fù)合材料，北京化工大學(xué)吳大鳴教授團(tuán)隊(duì)提出了一種使用微陣列對聚合物基復(fù)合材料中的填料進(jìn)行表面陣列錨固組裝的方法（Anchoring Array Assembly Method，AAAM），并且使用聚丙烯（PP）為基體、銅粒子（CP）與碳纖維（CF）為填料在基于陣列錨固組裝法的基礎(chǔ)上制備了三元導(dǎo)電復(fù)合材料（圖1）。該方法使用微陣列模具（圖2）對大尺寸的CP進(jìn)行排列限制，使得該復(fù)合材料在低填料濃度下具有較好的導(dǎo)電性能。與傳統(tǒng)的熱壓印方法相比，AAAM可以很容易地將CP和CF布置成在PP基體中形成規(guī)則的三角形密集“島橋”導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（圖3），并提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，相比傳統(tǒng)加工方法，基于AAAM制備的導(dǎo)電復(fù)合材料的導(dǎo)電性能具有顯著的提升。
圖1.制備三元復(fù)合材料的表面陣列錨固組裝的示意圖
圖2.微陣列模具結(jié)構(gòu)示意圖
圖3.密集三角網(wǎng)絡(luò)的CP與CF在復(fù)合材料中的結(jié)構(gòu)圖及復(fù)合材料的等效電路
圖4.CF含量和復(fù)合材料壓縮程度對電學(xué)性能的影響
如圖4所示，對基于錨固陣列組裝法制備的導(dǎo)電復(fù)合材料的電性能的測試結(jié)果表明，在AAAM下復(fù)合材料的導(dǎo)電性能會在CF含量達(dá)到4 vol.% 時(shí)發(fā)生滲逾現(xiàn)象。繼續(xù)提升填料濃度，AAAM制備的復(fù)合材料的電導(dǎo)率仍高于傳統(tǒng)方法制備的樣品。該研究還對導(dǎo)電材料不同壓縮比下的電導(dǎo)率進(jìn)行了測試與分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著復(fù)合材料在厚度方向的進(jìn)一步壓縮，復(fù)合材料的電導(dǎo)率提高。這種電導(dǎo)率的增強(qiáng)效應(yīng)在填料濃度偏低時(shí)會更加明顯。在所有制備的樣品中，通過AAAM制備的復(fù)合材料（厚度為0.2 mm，CF含量為18 vol.％ ，CP含量為2 vol.％）具有最高的電導(dǎo)率，為137.7 S/m 。比具有相同填充量的傳統(tǒng)方法制備的復(fù)合物的電導(dǎo)率高約52倍。
該工作以《An Anchoring Array Assembly Method for Enhancing the Electrical Conductivity of Composites of Polypropylene and Hybrid Fillers》為題發(fā)表在《Composites Science and Technology》（Compos. Sci. Technol. 2021，108846）上，第一作者為北京化工大學(xué)的朱嘉澍碩士，通訊作者為北京化工大學(xué)的黃堯副教授、吳大鳴教授、英國華威大學(xué)Tony McNally教授。其他作者有英國華威大學(xué)萬超瑛教授，北京化工大學(xué)許紅、劉穎、孫靖堯、高小龍、莊儉副教授。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金會的大力支持。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0266353821002025
