然而，引入這種顆粒作為第二組分填料時(shí)，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(qiáng)，當(dāng)然同時(shí)也將抑制碳管相互連接，從而使導(dǎo)電性下降。同時(shí)，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(duì)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(guó)崇實(shí)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(lái)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(guó)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(guò)Matlab軟件建立了如圖1所示的模型，即對(duì)于碳納米管在聚合物中的分布采用纖維隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)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(jì)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(shí)，分別利用微米級(jí)（直徑3-7 μm）和納米級(jí)（直徑10-20 nm）的二氧化硅顆粒作為第二組分填料，通過(guò)電鏡分析兩種填料在基體的分布情況，并測(cè)試材料的電阻率，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論模擬進(jìn)行對(duì)照對(duì)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(jī)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(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)驗(yàn)和理論模擬的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)填充納米級(jí)第二組分填料時(shí)，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(jí)第二組分填料時(shí)，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(shí)。作者認(rèn)為，根據(jù)經(jīng)典的體積排阻理論，填充微米級(jí)第二組分填料將有效抑制碳納米管的隨機(jī)分布，有利于導(dǎo)電通路的形成，而填充納米級(jí)第二組分填料由于其尺寸過(guò)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(lái)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)。