構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)是制備高性能導(dǎo)電導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料的關(guān)鍵，目前廣泛采用的自組裝成網(wǎng)模式因自組裝力不足，難以得到密實(shí)的網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致復(fù)合材料的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能遠(yuǎn)低于預(yù)期值。進(jìn)一步增加導(dǎo)電填料的體積分?jǐn)?shù)，雖然會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)的密度，但對網(wǎng)絡(luò)上導(dǎo)電粒子平均間距的進(jìn)一步減小貢獻(xiàn)不大，反而會(huì)造成復(fù)合材料加工性能和力學(xué)性能的大幅下降。
為解決上述問題，應(yīng)該探索能夠有效減小導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)上粒子間平均間距的新加工方法。北京化工大學(xué)塑料機(jī)械研究所所長吳大鳴教授團(tuán)隊(duì)提出了一種空間限域強(qiáng)制組裝法（SCFNA）制備導(dǎo)電導(dǎo)熱復(fù)合材料的新方法，其實(shí)質(zhì)是在限制自組裝網(wǎng)絡(luò)擺動(dòng)自由度的條件下，對松散的自組裝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行強(qiáng)制壓縮組裝。從而對功能分散相施加遠(yuǎn)大于自組裝作用力的“強(qiáng)制組裝力”，強(qiáng)制“擠走”導(dǎo)電粒子間的聚合物，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的密實(shí)化，為大幅度提高導(dǎo)電性能提供了可能性。在填料含量不變的前提下，復(fù)合材料的電導(dǎo)率成數(shù)倍甚至成數(shù)量級的提高。同時(shí)復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能也獲得了數(shù)十倍提高。該方法目前在熱塑性復(fù)合材料，熱固性復(fù)合材料及光固化復(fù)合材料均獲得顯著效果。相關(guān)成果發(fā)表在國際知名復(fù)合材料期刊Composites Part A。
通過制備方法的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了用“強(qiáng)制組裝”方法替代目前“自組裝”方法構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的重要突破，相同配方條件下，采用SCFNA法制備的聚丙烯-碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)電性能高出2-4個(gè)數(shù)量級。制備的聚二甲基硅氧烷-碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)電性能提高1-5個(gè)數(shù)量級。同時(shí)，獲得了聚合物基復(fù)合材料關(guān)于強(qiáng)制組裝厚度上的導(dǎo)電滲流現(xiàn)象。相關(guān)研究得到業(yè)內(nèi)同行的高度關(guān)注，有望較大程度地推進(jìn)聚合物基導(dǎo)電導(dǎo)熱復(fù)合材料技術(shù)的進(jìn)步。同時(shí)對于開辟注射機(jī)與螺桿擠出機(jī)新功能具有重大的工程實(shí)用價(jià)值。
圖1 工藝路徑
圖2 SCFNA理論模型
圖3 SCFNA制備聚丙烯-碳纖維復(fù)合材料各流程中碳纖維網(wǎng)絡(luò)演化規(guī)律
圖4 熔融共混法與強(qiáng)制組裝法制備聚丙烯碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)電性能對比
圖5 聚丙烯碳纖維復(fù)合材料關(guān)于強(qiáng)制組裝厚度上的導(dǎo)電滲流現(xiàn)象
相關(guān)成果主要有：
《Composites Part A》, 102(2017)：88-95;
《RSC Advances》,7(2017)：14761-8;
《Polymer Engineering & Science》, 57. 3（2017）：268-274;
《Polymer Engineering & Science》, 57. 3（2017）：268-274;
《Advance in Polymer Technology》, 2017;00:1-11,doi: 10.1002/adv.21815
《Applied Thermal Engineering》, 121（2017）：492-500
一種限域空間微納米精密組裝法制備高性能聚合物基導(dǎo)電復(fù)合材料的方法[P], ZL 201610885809；
2017“光威杯”中國大學(xué)生高性能復(fù)合材料科技創(chuàng)新競賽一等獎(jiǎng)。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金委、有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中英北京化工大學(xué)-Bradford大學(xué)學(xué)術(shù)交流項(xiàng)目、中國博士后基金的支持。相關(guān)論文的第一作者主要有北京化工大學(xué)博士后高小龍,博士孫靖堯，第一通訊作者吳大鳴教授,聯(lián)合通訊作者黃堯老師。
論文鏈接：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X17302956
