空间限位强制组装法制备热塑性导电复合材料

　　1.1.1课题研究背景

　　人类自古代起便开始使用由两种或多种材料构成的组合材料，最初的组合材料就是已经使用了一个多世纪的秸秆或麦秆增强粘土和已经使用了上百年的钢筋混凝土。自上世纪40年代，材料行业领域内出现了“复合材料”这个新概念，是由于航空工业领域的需求，人们研究开发出了一种新型塑料——玻璃纤维增强塑料，也就是我们现在常用的玻璃钢。人们将聚合物基体与不同类型的填料混合以提升其机械性能、导电性、导热性、屏蔽性能、防电磁波污染及阻燃性等许多其他性能[1-6]。

　　导电材料在日常生活及生产制造领域中占据着举足轻重的地位，小到人们在生活中使用的家电，大到航空航天器等精密仪器的领域里，都离不开各种导电材料。随着社会发展和人类科学进步，传统导电材料性能已不能满足电子器械或航天器械的使用需求，人们迫切需求既能满足力学机械性能、加工性能，还能满足电子电器、通讯设备所需的性能要求的材料，这就对材料的性能要求更多的转向于多功能化、智能化，在提高导电性能的同时，最大程度的保留基材的本身特性。同时随着人们的环境意识增强，关于导电材料的研究也倾向于更环保化。

　　聚合物基导电复合材料即是一种可以具备良好导电性，又可满足其他属性的导电材料，具有许多金属材料不具备的属性，如不容易被腐蚀，易成型，密度低等聚合物基体的特性。人们按照一定的方法和加工工艺，将导电填料与聚合物基体进行复合加工，在聚合物基体中形成连续有效的导电网络，从而使得复合材料具有了导电功能。这种新型材料在电子电器等产品中可以替代金属材料，在航天国防对材料的体积重量都有着较高的领域内也可应用，在人们日常生活中更是有着广泛的应用，如照明设备、手机等电子设备、特殊要求的电缆等。聚合物基导电复合材料具有广泛的发展前景和实际应用意义，因此如何有效提高聚合物基导电复合材料的电导率成为大家研究的热点[7-14]。

　　1.1.2课题研究目的和意义

　　如今聚合物基复合材料占到了所有复合材料总用量的90％以上，聚合物基复合材料根据聚合物种类不同，可以分为热固性复合材料和热塑性复合材料，热塑性聚合物基复合材料具有成本低、无存放条件限制等优点，同时成型周期短、制造工艺简单，可以实现大规模生产，受到了广泛的重视[15-17]。纤维增强复合材料是复合材料中最常见的一种，因其强度高、刚度大、耐腐蚀、抗疲劳、材料性能可以自由设计等优点成为行业内发展速度最快、应用领域最广的一种新兴材料。传统高分子材料除了导电性能不能满足需求外，最大问题便是在使用过程易出现较强的静电现象，这会导致制品的性能下降，还存在安全隐患，因为静电现象会引起火灾或爆炸等灾难性事故。除了导电方面的高要求外，为了抵抗工况中的电磁干扰和辐射干扰，还需要提高复合材料的屏蔽性能，以上要求都需要研究者不断寻求新的加工方法或工艺手段来提高复合材料的表面电阻和体电阻，在低浓度的导电填料填充下制备高导电性的复合材料。

　　金属是在生产生活中使用最广的导电材料，还有许多改性的合金等，然而有些密度较大的金属材料不适用于对重量严格要求的领域，抗腐蚀性能较差的金属材料不适用于化工厂等易出现设备腐蚀的场合。一般的聚合物本身都具有较高电阻率，但是将聚合物基体与导电填料混合再通过一些加工手段即可制得具有很好导电性能的聚合物基导电复合材料，因其密度小、耐腐蚀、柔性、电阻率在一定范围内可调节等特点，具有非常广泛的用途和广阔的市场[18]。国外对导电复合材料的研究起步较我国要早，对基体和填料的选择及改性研究、加工工艺和工业化生产手段都已有比较完整的体系，我国研究者在这方面起步较晚，缺少高端先进技术支持，理论数据与实际操作效果达不到统一，在工业化生产方面也落后较多。为了解决最重要的问题，即有效提高复合材料的电导率，本文也是通过填充导电填料法来制备导电复合材料，并提出了一种构建有效导电网络的新方法：空间限位强制组装法，Spacial Confining Forced Network Assembly（SCFNA）。

　　随着“空间限位强制组装法”这一新工艺理论的提出，对于加工过程中导电网络成型机理的研究就显得尤为重要，只有在导电机理和导电网络构建方法充分认知了解后，才能对加工工艺做出最准确的优化和改善，进一步推动空间限位强制组装法的理论完善。本文正是基于实验室所提出的空间限位强制组装法新工艺，通过大量实验验证了该方法在热塑性聚合物的适用性。与此同时，借助光学显微镜和电子显微镜观察得到填料的宏观和微观分布情况，从填料尺寸、填料形状、强制组装参数等角度，对空间限位强制组装法的基本理论进行分析和总结。本课题的研究内容对于如何制备有效的导电网络，提高复合材料的导电性能具有一定的参考价值，为这种新工艺方法奠定了实验基础，并且对于该工艺的优化和改进也起到了一定的作用。

　　1.2.1导电机理的研究

　　多数研究者认为复合型高分子材料主要是通过不同工艺手段使得导电填料在基体内部形成导电通路，即有效的导电网路。常见的填料填充法制备高导电性高分子材料的导电理论有：逾渗理论、量子力学隧道效应理论、有效介质理论和电场发射理论等[19]，其中以逾渗理论收到广泛认可。

　　导电复合材料中的逾渗转变，是指电阻率跟随填料浓度的变化而发生改变，一般表现为随着浓度增大而变低，当填料浓度达到某关键值时，复合材料电阻率会发生突然的转变，可以观察到导电率增加约几个数量级，材料就从绝缘体变成了导体，也导电渗流现象[20]。该理论主要是表明了复合材料电阻率与填料浓度的关系，从宏观角度说明了复合型高分材料的导电现象[18,21,22]。逾渗理论的实践基础是将导电填料通过某些加工方法添加到基体中，填料浓度达到一个临界值之后，复合材料具有了导体的性质[23]。这表明在聚合物基体中填料粒子的分散状态发生了变化，复合材料的导电性能才会大幅度提高，也就是说只有填料浓度在这个使材料性质发生突变的浓度之上，在连续相基体中的分散相电填料，两者之间互相接触形成了导电网络。这个使得材料由绝缘体变为导体或者半导体的导电填料临界分数被称为渗滤阈值[24-27]。图1-1为导电粒子渗滤曲线[24]，所示即是复合材料电阻率与填料浓度的关系，可以分为三个区域：1是导电填料低浓度区域，复合材料仍处于绝缘状态，电阻率依然很高，并且随填料浓度升高降低的非常慢，可以判断此时填料在基体中没有形成导电网络；2则进入渗流区域，电阻率随着填料浓度增加迅速降低，导电填料浓度的少量增加就会引起导电性能的大幅提升，这个区域具有不恒定的工艺以及热敏等特性，可以制造热敏性导电复合材料；3区导电填料浓度的增大对电阻率降低影响程度逐渐降低，导电网络中导电粒子充分接触，粒子之间的距离已经保持稳定，不会再进一步靠近，此时复合材料的电阻率也不会再有大幅变化趋势。

　　渗滤理论可以解释在填料某临界浓度处材料电导率的突变现象，它只是一种统计方法，得到的数据只是从数学模拟计算得到的，它并不适合得到除了二维导电网络之外的更高或更低维度导电网络的渗滤阈值[31]。因此许多理论被提出来修正这一缺点，例如：排斥体积理论、均场理论等。

　　1.2.2导电复合材料的分类

　　导电高分子材料根据结构之间的差异、不同的制备方式以及性能和应用范围的差别，可以分为本征型高分子材料和填充型复合材料。

　　本征型高分子材料，即结构型高分子导电材料(constructural conductive polymer)是指对高分子自身结构进行一些混杂处理使其具有导电性能的材料，其导电性能由聚合物分子结构本身确定，不需要另外添加导电填料。常见的结构型导电导电聚合物有聚乙炔（PA）、聚吡咯（PPy）、聚苯胺（PAn）、聚芳烃等。根结构型高分子导电材料中载流子主要是离子和电子，其中电子型导电材料是以电子或空穴为导电载流子。结构性导电高分子材料的优点是导电性能在整个材料中均匀一致，导电状态容易得到迅速控制；缺点是结构型导电聚合物本身刚性较大、比较难熔融、成型困难、加工处理困难，并且有一些掺杂剂是有剧毒的、有强烈腐蚀性的物质，化学稳定性能较差，造价昂贵等，因此在高聚物的发展及实际应用应用领域存在局限性[32]。

　　复合型导电高分子材料（electroconductive composite polymer）兴起于20世纪60年代，通常是将聚合物与各种导电物质通过一定的复合方式构成，即在树脂基体中添加导电性填料，再通过不同的加工工艺譬如层与层之间的层积复合、填充复合或在材料表面电镀从而形成覆盖在材料表面的膜等方法制备而来。导电产品多种多样，且应用日趋广泛，在化工机械、军火工业、电子电路等领域，可用于包装密封、保温、防止静电、集成电路材料及新型屏蔽材料等。

　　根据复合材料的导电性能划分可以防止产生静电的材料、半导体和导电材料及高导电材料，各类型材料的电阻率跨度较大，最高可达到40个数量级，各类材料的划分和应用如表1-1[33]所示：

　　1.2.3导电复合材料的基体与填料

　　1.2.3.1聚合物基体

　　复合型导电塑料采用的基体树脂范围相当广泛，常用的有：ABS树脂、PE、EVA、PA、PC、PP、PET、POM，以及改性的PPO、PBT、PVC，掺和物PC/ABS等[30]。影响渗滤阈值的因素有很多，例如不同的导电填料，不同的树脂基体，以及填料和基体两者的分布状况。对于不同种类的树脂基体来说，制备的复合材料导电性能会随着聚合物的表面张力减小而增强。对同一种树脂为基体的复合材料来说，导电性能会随着聚合物粘度降低而增强，因为粘度越低，填料在基体中分散情况就越好，可以在较低添加量时达到相互接触或彼此靠近。同时，所用聚合物基的结晶度越高，得到的复合材料导电性能越好，因为填料在结晶性基体中主要分散在非晶区，结晶度越高，聚合物非晶区中导电填料的浓度就越高，粒子间距离就越小，形成空间导电网络越密实有效。

　　本课题选用熔点为167℃、电导率约为10-15S/m的热塑性塑料：聚丙烯PP，是我们日常生活中通用塑料之一。热性塑料熔融硬化过程是物理变化，对材料化学性能没有改变，聚丙烯制品具有耐热、无毒和耐酸碱腐蚀的特性[34]。以热塑性塑料为基体制备导电复合材料，再因其具有可塑性，可多次反复加工，将在实际生产生活中应用非常广泛。

　　1.2.3.2导电填料

　　复合型导电塑料可用的导电填料可以分为金属系（金属粉末、氧化物、纤维）和碳系（导电石墨、炭黑、碳纤维、碳纳米管及石墨烯等）两种类型[35,36]。在各类导电填料中，碳系导电填料具有耐腐蚀、价格合理和和电阻可调节的优点，在世界各国都有著名的生产公司，如XCobot公司、3M公司，日本的东芝化学等。近期国内也已开发出许多的碳系导电复合材料，可用于各种环境下的电子通讯设备中，并已达到产业化，但在质量及稳定性方面较国际水平还有一些距离。随着科技技术发展，在生产生活中人们对电子产品需求越来越大，在许多电子工业新的应用领域中，对导电塑料的消耗及性能要求越来越高。

　　聚合物基复合材料的流变学和电学性能不仅受填料总含量的影响，而且受填料颗粒形状和尺寸的显着影响[37,38]。理论和实验研究表明导电复合材料中填料的浓度、形状及尺寸都对导电性能有一定的影响，不同形状、尺寸即长径比不同的导电填料都会影响复合材料的导电性能。填料本身导电性能不同，使得复合材料导电所需的浓度均不一样，即导电阈渗值不同。因此，研究开发具有更高导电性能的填料成为如今热门课题之一，对复合型导电高分子材料的制备也具有一定的指导意义。

　　1.2.4导电复合材料制备方法

　　聚合物基导电复合材料通常是将电导率高的各种金属或非金属填料分散在绝缘的聚合物基体中而成。大量实验证明，不同形貌的填料、不同性质的基体以及不同的加工手段都会影响填料在基体中的分布情况，同时也会影响填料和基体的本身性质，进而会影响所制备的复合材料的导电性[18,35]。不同的加工方法的主要目的都是将填料尽量均匀的分散在基体中，以得到均匀的混合物。在树脂基体中构建导电网络的方法主要有三种：原位聚合法、溶液共混法和熔体混合法[39-41]。

　　（1）原位聚合法

　　将导电填料加入单体或预聚合体和引发剂中，然后调节反应温度、反应时间等参数，达到在聚合过程中将填料均匀分散在基体中的目的，从而得到复合材料。该方法的填料分散性非常好，并且导电填料的物理性质影响非常小，可以有效保留导电粒子的长径比，因此已经广泛应用工业生产。Huang等[42]为了克服与聚合物插层相关的热力学障碍，采用镁/钛催化剂，氧化石墨为载体，将石墨烯附着在氧化石墨上，与丙烯单体进行聚合，聚合完成后氧化石墨剥离，石墨烯均匀分散在聚丙烯基体中，制备了聚丙烯/石墨烯复合材料。通过这种方法不仅使得复合材料获取较高导电性能，其弯曲模量和拉伸模量也得到了改善。但是该方法也存在一定的局限性，首先可选的聚合单体较少，其次在聚合反应过程中，物料粘度会逐渐增大，最终由液态转变为固态，后续加工过程比较繁琐[43-46]。

　　（2）溶液混合法

　　溶液共混法是先把聚合物基体分散在某一有机溶剂中，再通过机械搅拌或者超声波分散填料，使两种材料混合均匀，然后蒸发除去溶剂得到聚合物基复合材料。因为操作简便且效率高的优点，在实验室中常使用溶液混合法制备复合材料。但是此方法会使用到大量的有机溶剂，成本较高，并且有些有机溶剂会发出有毒气体，会对人体健康造成伤害，环境造成污染，所以不适宜生产工业化。Kuila等[47]在二甲苯溶液体系中制得了石墨烯/聚乙烯复合材料，通过研究发现，该虽然简单高效，且复合材料的电导率得到极大的提高，但是发现有机溶剂会吸附在石墨烯片层中，很难出去，这对后期制品性能也有一定影响，因此也是该方法无法广泛使用的一个原因。

　　（3）熔体共混法

　　熔体共混法是指将导电填料直接与聚合物混合，在特定温度下在混炼设备中制得均相熔体，然后采用常规高分子成型加工方法制备出复合材料，是热塑性聚合物基复合材最常采用的制备方法。熔体共混法较原位聚合法，对于原料性质要求较低，较溶液共混法操作简单、更为环保，因此适合工业化生产使用。Socher等[48]使用小型挤出机制备了聚合物/碳纳米管复合材料，实验发现复合材料中碳纳米管的分散性较差，主要是因为聚合物基体逐渐溶化后，熔体粘度较大，碳纳米管在基体中很容易团聚在一起，形成一些“孤岛”，很难搭接一起形成导电网络。同时随着混合进行，物料的黏度增大，螺杆扭矩也会增大，螺杆与物料摩擦会对碳纳米管形貌破坏较大，也会导致后续加工得到复合材料的导电性能无法达到预期效果。因此提高填料与基体的相容性以及填料分散均匀性是研究者选用熔融共混法时所面临的较大问题。

　　以上三种方法是目前制备各种高分子导电材料最常选用的，主要是根据聚合物基体性质、填料性质和填料的分布要求来选择。而这三种方法均通过自组装机制在基体中构建导电网络，以提高复合材料的导电性能。导电填料自组装法是指通过增大填料浓度达到导电渗流阈值后，继续添加填料直至饱和，然后在一定的热力学和动力学影响下，填料之间的相互吸引力与基体阻碍填料团聚的力达到平衡，填料粒子间距减小，逐渐接触搭接，完成自组装，形成导电通路[12,25,27]。这种自组装导电网络因自组装力不够强，导致填料间距不可控，网束不够密实，可以使得聚合物具有导电性能，但其电导率比导电填料本身的电导率低许多，但仍不能达到高导电的状态。同时根据逾渗理论，当填料含量达到某一个值，继续增加填料浓度，电导率提高幅度非常小，因此继续不断的加大填料浓度也很难得到更为密实的网络，并且加大填料浓度还会大幅度降低复合材料的聚合物基体本身性能[49]。但由于自组装导电网络是一种比较松散的网络，所以复合材料导电性能的提升受到较大的制约。为了解决这一问题，实现在导电填料添加量不增加的条件下大幅度提高复合材料的导电性能，吴大鸣教授团队提出了一种构建密实导电网络的方法：空间限域强制组装法[49,50]，Spacial Confining Forced Network Assembly（SCFNA）。

　　1.3.1论文主要研究目的

　　本课题的主要研究目的是采用空间限位强制组装法提高导电材料的导电性能，主要研究强制组装程度及导电填料浓度对导电通路形成的影响，通过实验逐步确定新方法的工艺参数。

　　1.3.2论文主要研究内容

　　本课题主要基于空间限域强制组装法（SCFNA）制备导电复合材料的机理和方法，开展热塑性聚合物为基体的导电复合材料的实验研究。通过实验制备单一填料、二元填料、不同填料形状、浓度及厚度的试样，并测试其导电性、研究导电网络的构建情况，论证SCFNA法在热塑性基体中的适用性。

　　具体研究内容如下：

　　（1）以聚丙烯（PP）为基体，碳纤维（SCF）为填料，采用SCFNA法制备碳纤维/聚丙烯复合材料。研究碳纤维含量和强制组装程度对碳纤维的分散和复合材料电导率的影响，分别采用电子显微镜和光学显微镜观察碳纤维在基体中的分布规律和导电网络的构建情况，同时研究筛网微结构对材料导电性和机械性能的影响。

　　（2）以聚丙烯（PP）为基体，鳞片石墨（FG）为填料，用SCFNA法制备鳞片石墨/聚丙烯复合材料。研究填料浓度、填充粒子类型对复合材料导电性能的影响，并且通过实验重点研究复合材料的电导率强制组装程度变化的规律，用光学显微镜观察填充粒子的分布情况，研究导电性能随强制组装程度提高而提高的规律。

　　（3）以聚丙烯（PP）为基体，碳纤维（SCF）、石墨烯（G）为填料，制备碳纤维/石墨烯/聚丙烯导电复合材料。通过光学显微镜观察导电填料在基体中的排布规律，研究二元填料的含量对复合材料电导率的影响，以及二元填料复合材料导电性能随强制组装程度和填料浓度的变化规律。

　　聚合物基复合材料是一种将聚合物基体与不同特性的填料混合制备的具有导电性、导热性或阻燃性等的功能材料。热塑性塑料是人们日常生活中使用最多的塑料，具有可反复多次熔融凝固、易加工、易成型等特性。因此以热塑性塑料为基体的复合材料又具有耐腐蚀、质轻以及可重复利用等特点，在制造抗静电、抗电磁干扰（EMI）、导电和导热产品领域内应用很广，得到研究者们的注意。

　　目前最常用的构建复合材料导电网络的方法是填料自组装法，但自组装导电网络因自组装力不够强，导致填料间距不可控，网束不够密实，可以使得聚合物具有导电性能，但其电导率比导电填料本身的电导率低许多，但仍不能达到高导电的状态。

　　基于以上分析，本课题基于空间限位强制组装法（SCFNA）制备导电复合材料的机理和方法，开展以热塑性塑料为基体的导电复合材料的实验研究。通过实验制备单一填料、二元填料、不同填料形状、浓度及厚度的试样，并测试其导电性、研究导电网络的构建情况，论证SCFNA法在热塑性基体中的适用性。主要研究内容包括：

　　（1）采用SCFNA法制备的碳纤维/聚丙烯复合材料的逾渗浓度降低至4.2wt%，新复合材料电导率大幅提高，较常规方法制备的复合材料提高了4个数量级；采用SCFNA法制备了鳞片石墨/聚丙烯复合材料，复合材料电导率较常规方法制备的复合材料提升程度最大达到200倍以上。验证了SCFNA法对热塑性基体的可适用性，证明了导电网络的密实度是影响导电性的重要因素。同时还研究了强制组装程度、填料浓度及微结构对复合材料导电性的影响。

　　（2）SCFNA法对不同形状导电填料所形成的导电网络均可起到强制组装作用，但是填料形状会影响导电网络中的有效接触点数目，从而影响导电性能，纤维状填料更易形成密实的网络。

　　（3）采用SCFNA法制备了二元填料体系的导电复合材料，分别在10wt%碳纤维/聚丙烯复合材料中加入质量分数为0.25wt%、0.5wt%的石墨烯，发现复合材料加入少量纳米级填料，导电性能即可大幅提升，因此可制备低填充量、高电导率的复合材料。

　　关键词：复合材料，热塑性，强制组装，导电网络，电导率，导电填料

　　取0.1mm厚度的试样数据用Origin进行分析，并与共混试样的导电性能进行对比，得到如图3-6(a-c)所示的电导率随随碳纤维含量变化的关系曲线，纵坐标为对数坐标，实验数据均为多个样品上测量的平均值，新方法制备的复合材料也符合导电渗流理论[7,65,66]，满足1.2.1中的逾渗统计理论(classical statistical percolation model)公式（1-4）：

　　………………………式（1-4）

　　分析曲线图可知：

　　（1）两种方法制备的导电复合材料都在碳纤维含量很低时，复合材料的电导率基本不发生变化，且碳纤维填充塑料的导电性不是随碳纤维含量成比例增加。随着填料浓度逐渐增大到某一个临界值，电导率突然急剧增大几个数量级，发生性能转变，具备了导电功能。分析图3-6(b)得出材料的阈渗值=4.2wt%，而图3-6(c)所示常规共混法得到的复合材料阈渗值=4.6wt%。再对两条曲线进行拟合求出，当n=1.33和n=3.11时，逾渗统计理论公式成立，即SCFNA法和常规共混法制得的试样均遵循逾渗理论。

　　传统加工方法制备导电复合材料时，通常会采用增大导电填料填充量来提高材料的导电性能，但是这种方法对电导率提高效果不大，且容易降低材料的力学性能等综合性能。通过对导电机理研究发现，导致热塑性聚合物基复合材料导电性差的根本原因是填料粒子之间平均间隙大，因此提出了一种通过减小导电粒子平均间距的新的复合材料加工工艺：空间限位强制组装法，Spacial Confining Forced Network Assembly（SCFNA）。本文采用SCFNA法制备了碳纤维/聚丙烯、鳞片石墨/聚丙烯和碳纤维/石墨烯/聚丙烯导电复合材料，分别考察了材料的形态演化、填料浓度对导电性能的影响和强制组装程度对导电性能的影响，得到如下结论：

　　（1）空间限位强制组装法是一种能够有效提高热塑性聚合物基导电复合材料导电性的方法，对于纤维状和片状导电填料的复合材料都有提升作用，填料浓度和强制组装压缩量是该方法的重要影响因素。

　　（2）采用空间限位强制组法装制备的碳纤维/聚丙烯导电复合材料的逾渗浓度降低至4.2wt%，导电性能在低填充时提升非常显著，最高达4个数量级，填料含量超过导电逾渗值之后，新材料的电导率始终比常规方法制备的复合材料高出104至105S/m左右。在相同浓度下，试样电导率在0.25mm至0.1mm之间对压缩量很敏感，呈翻倍增加趋势。

　　（3）采用空间限位强制组装法制备鳞片石墨/聚丙烯导电复合材料的导电阈渗值为5wt%，在低浓度含量3wt%、5wt%时提升约为十几倍左右；超过阈渗值以后，浓度为7wt%、10wt%时提升70倍左右；在高浓度15wt%、25wt%、35wt%时提升程度达到200倍以上。不同浓度之间材料电导率随厚度变化的曲线斜率差别也较大，但都在0.3mm之后对压缩程度比较敏感，电导率变化较大。

　　（4）采用空间限位强制组装法制备了碳纤维/石墨烯/聚丙烯导电复合材料，碳纤维浓度为10wt%，石墨烯浓度分别为0.25wt%、0.5wt%，试样厚度为0.3mm、0.4mm时，石墨烯浓度对导电性能影响不大，试样厚度为0.1mm时，0.5wt%石墨烯的材料电导率为1.115103 S/m，比0.25wt%石墨烯试样高出一倍多，并且35wt%碳纤维/聚丙烯导电复合材料的电导率为573 S/m，可见采用双组份填料的方法可以有效降低复合材料的总填充量，可以在低填充量下制备具有高导电性的复合材料。强制组装程度对材料导电性能影响越来越大，在0.3mm至0.1mm厚度区间内增强效果最明显。

　　本文主要为空间限位强制组装法制备热塑性聚合物基导电复合材料的可行性上做了一些基础实验工作，制备了高导电复合材料，取得了比较令人满意的结果，采用空间限位强制组装法制备高性能材料的连续化生产还有很长的路要走，有以下几点可以进一步研究：

　　（1）在强制组装过程中，各种形状填料的移动规律可以进行模拟研究并建立运动模型。根据实验数据，建立不同树脂集体和导电填料制备导电复合材料的导电模型和公式，对空间限位强制组装法制备复合材料的电导率进行准确计算。

　　（2）研究空间限位强制组装法制备的复合材料电导率对温度、压力等外场的响应速度，以此制备具有较高灵敏度的传感器，可用在设备检测、环境测温等领域，将具有很广阔的市场应用价值。

　　（3）根据实验数据分析，确定“空间限位强制组装法”的工艺参数，可以实现从“自组装”到“强制组装”递进式分步压缩的连续加工设备，使SCFNA法制备高导电复合材料实现工业化生产。

　　创新点摘要

　　（1）提出了制备热塑性聚合物基导电复合材料的新方法：空间限位强制组装法，Spacial Confining Forced Network Assembly（SCFNA）。采用SCFNA法分别制备了碳纤维/聚丙烯、鳞片石墨/聚丙烯以及碳纤维/石墨烯/聚丙烯三种新导电复合材料，实验测试表明材料导电功能均获得较大提升，论证了SCFNA法对热塑性塑料的适用性。

　　（2）采用SCFNA法制备了二元填料体系的导电复合材料，实验表明加入质量分数为0.25wt%、0.5wt%的纳米级填料石墨烯，复合材料的导电性能即可大幅提升，因此可制备填充量更低的导电复合材料。

　　（3）研究了强制组装程度和填料形状对复合材料导电性能的影响。提出强制组装压缩比ε的定义，定量解释说明了强制组装程度越大，导电网络密实度越高，复合材料的导电性能越好，说明强制组装压缩比ε是SCFNA法的关键参数。

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