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  導電聚合物復合材料（CPCs）因其取代無機陶瓷和金屬在電子電氣領域的廣泛應用而受到廣泛關注，如電磁干擾屏蔽、傳感器、靜電耗散裝置、自動調節(jié)加熱器和熱電裝置等。然而，對于具有高導電性的聚合物復合材料，通常需要添加大量的導電填料，這將導致高成本、復雜的加工過程和較差的機械性能。因此，在均衡導電性能和機械性能的情況下，降低導電填料的逾滲閾值是獲得高性能導電聚合物復合材料的必要條件。除此之外，CPCs由于聚合物基體在高溫下的熱膨脹和分子鏈的熔融運動導致其電導率呈現(xiàn)出正、負溫度系數(shù)效應，以及其高溫時的熱降解，均使得CPCs在嚴酷的熱條件下的應用受到限制，這不僅縮小了CPCs的實際應用范圍，還存在很多潛在的安全隱患。因此，提升材料在高溫下的穩(wěn)定性，也是有機電子領域必須要解決的難題。

  基于以上科學問題，西南大學軟物質材料化學與功能制造重慶市重點實驗室張鵬副教授與黃進教授合作，采用一種簡單高效的方法從基體改性和導電網(wǎng)絡設計兩方面開發(fā)了在寬溫度范圍內具有高性能的穩(wěn)定導電聚合物復合材料。該課題首先通過在聚氨酯的交聯(lián)網(wǎng)絡中引入亞胺化芳香結構來設計PUI化合物，并調控軟硬段比例以獲得高溫穩(wěn)定性和優(yōu)異機械性能的基體。然后采用經(jīng)濟的石墨磷片作為導電填料，通過固化過程中熱亞胺化反應放出的二氧化碳發(fā)泡誘導填料形成獨特的導電網(wǎng)絡，大幅降低逾滲閾值，原位構建具有高溫穩(wěn)定性的導電聚氨酯酰亞胺/石墨鱗片（PUI/GFs）復合材料。所得單基體復合材料不僅能在高溫下能正常工作，而且能在一個很大的溫度范圍內保持性能穩(wěn)定，同時仍保持優(yōu)良的機械性能，這有望填補有機電子器件在極端溫度工作環(huán)境下的應用。這一研究成果以題為“Low percolation conductive graphiteflakes-filled poly(urethane-imide) composites with high thermal stability via imidization self-foaming structure”發(fā)表于Materials Today Chemistry期刊。

圖1. PUI/GFs-2000-y的OM和FE-SEM圖像：(a, e, i) 0.5 wt%、(b, f, j) 1 wt%、(c, g, k) 3 wt%、(d, h, l) 7 wt%

  圖1(a-d)中明亮的透明區(qū)域為PUI基體，暗不透明區(qū)域為GFs的線性導電通路。隨著GFS含量的增加，線性導電通路變寬。這源于GFs之間更充分的互連或更嚴重的堆積或聚集。通過FE-SEM觀察，可以清楚地發(fā)現(xiàn)，當GFs的含量為0.5 wt%時，相互連接或重疊的GFs形成了纖薄的線性導電通路(圖1e)。特別是在放大后的圖像中可以觀察到清晰的圖案(圖1i)。當GFs含量增加到3 wt%時，復合材料中形成了寬而厚的導電通道(圖1g)，這與OM觀察現(xiàn)象一致。通過進一步增加GFs的含量，GFs的堆積或聚集使得復合材料中的導電網(wǎng)絡越來越致密，在基體受熱膨脹時難以被打斷，表明復合材料可能具有穩(wěn)定的導電性能。根據(jù)以往的報道，由于發(fā)泡作用，泡沫復合材料中的導電填料通常會集中在孔壁或間隙中，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的高導電性。然而，在該工作中，GFs導電網(wǎng)絡的穩(wěn)定性不僅取決于填料和聚合物基體的特性，還取決于復合材料的制備過程。如圖2所示，GFs在熱處理前均勻分散在PUI前驅體溶液中。隨著溶劑的蒸發(fā)和固化過程中五元環(huán)的酰亞胺化反應釋放的二氧化碳，形成了許多泡孔。同時，由于發(fā)泡作用，復合材料中的GFs又重新分布。因此，大多數(shù)GFs被擠壓到上、下表層，但也有一小部分分散在孔壁或間隙中。然后采用機械粉碎和熱壓成型相結合的方法成功構建了復合材料中GFs的穩(wěn)定導電網(wǎng)絡。

圖2. PUI/GFs的制備過程及發(fā)泡前后GFs在基體中的分布

圖3. (a) PUI/GFs-x-y在室溫下的電導率、(b)PUI/GFs-x-2的電阻-溫度曲線

  如圖3a，當GFs的質量分數(shù)在1.0 wt%左右時，三種復合材料的電導率出現(xiàn)了顯著的躍升，PUI/ GFs-500-y、PUI/GFs-1000-y和PUI/GFs-2000-y復合材料的逾滲閾值分別為0.79 wt%、0.86 wt%和1.26 wt%。并且三種復合材料在30至200 ℃的寬溫度范圍內表現(xiàn)出優(yōu)異的零溫度系數(shù)效應，它們的歸一化電阻僅在0.64和1.14之間略有波動（圖3b）。特別是PUI/GFs-500-2復合材料，其歸一化電阻在溫度變化時僅呈現(xiàn)出微弱的變化(0.80至1.02)，PUI/GFs優(yōu)異的導電熱穩(wěn)定性有利于其在熱電領域的實際應用。

  西南大學化學化工學院碩士研究生夏微是該成果的第一作者，西南大學張鵬副教授和黃進教授為通訊作者。該成果得到了郭鳴明教授和鄒建副教授的大力支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2021.100516