纳米-微米网络优化与排阻体积效应：隔离结构复合材料的先进渗流模型构建与应用

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Advanced percolation models incorporating excluded volume effects in segregated composites via nano-interconnection and micro-void structure optimization

　　本研究针对隔离结构导电聚合物复合材料（S-CPCs）中导电网络形成机制不明确、微孔缺陷导致力学性能下降等瓶颈问题，通过引入低熔点三元共聚物调控纳米-微米层级结构，结合μ-CT定量分析排阻体积（Vev）与微孔（Vmv），建立了融合结构参数的隔离电/热渗流模型。结果表明，优化后的GNP基复合材料（G-SC/T10）电导率提升124.07%，热导率增强68.11%；h-BN基复合材料（B-SC/T10）热导率提高53.54%，同时力学性能接近随机复合材料（RCs）。该工作为高导多功能复合材料的设计提供了理论依据与可规模化制备策略。

　　

随着可穿戴电子设备的普及，高密度电路集成导致的电磁干扰（EMI）和热量积聚已成为制约设备性能与安全的关键问题。传统金属材料虽具备优异的导电导热性，但其重量大、加工性差的缺点难以满足现代电子器件轻量化需求。聚合物基复合材料因其轻质、易加工等优势成为理想替代方案，其中隔离结构导电聚合物复合材料（S-CPCs）通过将导电填料选择性分布于聚合物颗粒界面，形成三维导电网络，可在低填料含量下实现高电导率和热导率。然而，S-CPCs的微观结构特性（如排阻体积和微孔）对导电/导热行为的影响尚未被现有理论模型充分描述，且界面微孔会显著削弱力学性能，限制填料最大负载量。

为解决上述问题，研究团队通过引入聚丙烯/乙烯/丁烯三元共聚物（熔点130°C）与聚丙烯（PP）基体共混，利用两者熔点差异优化加工过程中的界面扩散行为，抑制微孔形成。结合微计算机断层扫描（μ-CT）对复合材料内部排阻体积和微孔进行三维定量分析，并基于有限元法（FEM）模拟计算热渗流模型中的预指数因子（TC₀），最终建立了融合结构参数的隔离电/热渗流模型。

关键技术方法

研究通过热压成型法制备S-CPCs，利用μ-CT非破坏性三维成像量化V_ev和V_mv；采用场发射扫描电镜（FE-SEM）观察填料分布与纳米互联结构；通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线光电子能谱（XPS）分析界面化学作用；基于FEM模拟热流分布以确定TC₀；使用双探头法测量电导率，Hot disk法测量热导率，并评估EMI屏蔽效能与热管理性能。

研究结果

内部结构分析

FE-SEM和μ-CT显示，S-CPCs中填料选择性分布于PP颗粒界面，形成连续三维网络。添加10 wt%三元共聚物（G-SC/T10）时，微孔体积分数（V_mv）从10.67%降至3.95%，排阻体积分数（V_ev）维持在85.64%，显著提升填料负载上限（G-SC最大负载量提升至9.28 vol%）。

电导率性能

G-SC/T10在9.28 vol%填料含量下电导率达976.3 S/m，比传统随机复合材料（RCs）高124.07%。新提出的隔离电渗流模型通过引入V_ev参数，成功拟合了S-CPCs的低填料高电导行为，克服了传统模型需调整临界指数的局限。

热导率性能

G-SC/T10和B-SC/T10的热导率分别达4.30 W/m·K和1.68 W/m·K，较RCs提升68.11%和53.54%。隔离热渗流模型通过耦合V_ev与FEM模拟的TC₀值，准确预测了微孔减少和网络连通性对热导率的协同增强作用。

界面调控影响

马来酸酐接枝PP（PM）虽通过氢键增强填料-基体界面作用，但其较高熔点（154°C）导致微孔增加（V_mv达12.11%），反而不利于热导率提升，证明S-CPCs中结构完整性优于界面化学修饰。

应用验证

G-SC/T10在X波段EMI屏蔽效能达37.3 dB，可阻断智能手机无线充电；作为热界面材料（TIM）使CPU温度稳定在41.5°C以下。B-SC/T10在保持电绝缘性同时，有效提升智能手机运行帧率稳定性，验证其在高性能电子器件中的双功能潜力。

结论与意义

本研究通过三元共聚物调控纳米-微米网络结构，实现了S-CPCs微孔抑制与填料负载量的协同优化，并首次提出基于μ-CT定量参数的隔离渗流模型，突破了传统模型对隔离结构适应性差的限制。该模型为多功能复合材料设计提供了结构-性能关联的理论基础，且制备工艺易于规模化，为下一代电子器件的热管理/EMI屏蔽材料开发指明了方向。