碳纳米管／犘犈犜纤维导电复合材料

碳纳米管（CNTs）自从1991年被发现以来，以其特有的力学、电学和化学性能以及独特的准一维管状分子结构及其所具有的诸多潜在应用价值，迅速成为化学、物理及材料科学领域的研究热点。碳纳米管的C—C共价键链段结构与高分子链段结构相似，能通过配位键作用与高分子材料进行复合，碳纳米管又具有优良的力学、电学等性能，将两者复合能获得具有较高强度或导电性能优良的纳米复合材料。由于碳纳米管的表面积很大，碳管间的自聚集作用非常显著，使得其在聚合物中的分散比较困难，通过与碳纳米管复合来制取导电性高分子材料时，提高碳纳米管在高分子基材中的分散均匀程度是至关重要的。超声波分散、机械搅拌、加入表面活性剂、对碳纳米管表面进行化学修饰等手段都曾被用于碳纳米管的分散。图4- 1所示为不同含量碳纳米管在碳纳米管／PET纤维导电复合材料中的分散状况。图4-2所示为碳纳米管含量与碳纳米管／PET纤维导电复合材料电导率的关系。由图可见，复合材料的导电率随着碳纳米管含量的增加而增加。

图4-1 不同含量的碳纳米管在涂料中的分布状况

（a）质量分数0．5％ （b）质量分数2％ （c）质量分数4％ （d）质量分数10％

图4-2 碳纳米管含量与碳纳米管／犘E犜纤维导电复合材料电导率的关系

根据导电通路学说及隧道跃迁理论，导电粒子相互接触构成的导电网络是复合材料能够导电的重要原因。而且，只要导电粒子之间的距离接近到载流子（电子或空穴）能够发生隧道跃迁效应，就可以认为导电粒子是相互接触的。CNTs是典型的一维量子线，导电性很好，电阻率为10Ω·cm。环氧树脂的电阻率为1010～1017Ω·cm，是绝缘材料。将CNTs添加到环氧树脂中，制成环氧树脂／CNTs复合材料，CNTs在复合材料中有可能构建良好的导电通道，从而改善复合材料的导电特性。当复合材料中CNTs质量分数较少时， CNTs彼此不能搭接形成连续网络，自由电子很难在复合材料中移动，复合材料表现出高电阻率特性；随着CNTs含量的增加，CNTs彼此搭接形成连续的通道或导电微区，自由电子便容易通过CNTs形成导电网络，或在导电微区间跳跃运动，复合材料的导电性激增，电阻率下降；随CNTs含量的进一步增加， CNTs彼此搭接形成的网络更为完整，导电微区间隙变得更小，导电性也就急剧提高。但CNTs含量继续增加，当超过了一定数量的导电网络后，CNTs对导电性能的增强作用便趋于平缓。