導電網絡的構筑是制備高性能導電復合材料的關鍵，目前廣泛采用的自組裝成網模式因自組裝力不足，難以得到密實的網絡，導致復合材料的導電性能遠低于預期值。為獲得理想導電網絡，北京化工大學吳大鳴教授團隊與英國華威大學Tony McNally教授團隊開展合作研究，提出了構建密實導電網絡的陣列錨固組裝方法：其實質是在限制自組裝網絡自由度的條件下，通過機械手段，實施對松散的自組裝網絡的強制壓實；并通過壓縮模板上設置的微結構陣列，對網絡上的填料進行進一步的“陣列錨固組裝”，以得到導電性能更高的復合材料。該成果近日以“An anchoring array assembly method for enhancing the electrical conductivity of composites of polypropylene and hybrid fillers”為題發表于《Composites Science and Technology》雜志上。
為了實現利用低填料含量制備高導電復合材料，北京化工大學吳大鳴教授團隊提出了一種使用微陣列對聚合物基復合材料中的填料進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上制備了三元導電復合材料（圖1）。該方法使用微陣列模具（圖2）對大尺寸的CP進行排列限制，使得該復合材料在低填料濃度下具有較好的導電性能。與傳統的熱壓印方法相比，AAAM可以很容易地將CP和CF布置成在PP基體中形成規則的三角形密集“島橋”導電網絡（圖3），并提高復合材料的導電性。實驗結果顯示，相比傳統加工方法，基于AAAM制備的導電復合材料的導電性能具有顯著的提升。
圖1.制備三元復合材料的表面陣列錨固組裝的示意圖
圖2.微陣列模具結構示意圖
圖3.密集三角網絡的CP與CF在復合材料中的結構圖及復合材料的等效電路
圖4.CF含量和復合材料壓縮程度對電學性能的影響
如圖4所示，對基于錨固陣列組裝法制備的導電復合材料的電性能的測試結果表明，在AAAM下復合材料的導電性能會在CF含量達到4 vol.% 時發生滲逾現象。繼續提升填料濃度，AAAM制備的復合材料的電導率仍高于傳統方法制備的樣品。該研究還對導電材料不同壓縮比下的電導率進行了測試與分析。結果發現，隨著復合材料在厚度方向的進一步壓縮，復合材料的電導率提高。這種電導率的增強效應在填料濃度偏低時會更加明顯。在所有制備的樣品中，通過AAAM制備的復合材料（厚度為0.2 mm，CF含量為18 vol.％ ，CP含量為2 vol.％）具有最高的電導率，為137.7 S/m 。比具有相同填充量的傳統方法制備的復合物的電導率高約52倍。
該工作以《An Anchoring Array Assembly Method for Enhancing the Electrical Conductivity of Composites of Polypropylene and Hybrid Fillers》為題發表在《Composites Science and Technology》（Compos. Sci. Technol. 2021，108846）上，第一作者為北京化工大學的朱嘉澍碩士，通訊作者為北京化工大學的黃堯副教授、吳大鳴教授、英國華威大學Tony McNally教授。其他作者有英國華威大學萬超瑛教授，北京化工大學許紅、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基金會的大力支持。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0266353821002025
