导电网络的构筑是制备高性能导电复合材料的关键，目前广泛采用的自组装成网模式因自组装力不足，难以得到密实的网络，导致复合材料的导电性能远低于预期值。为获得理想导电网络，北京化工大学吴大鸣教授团队与英国华威大学Tony McNally教授团队开展合作研究，提出了构建密实导电网络的阵列锚固组装方法：其实质是在限制自组装网络自由度的条件下，通过机械手段，实施对松散的自组装网络的强制压实；并通过压缩模板上设置的微结构阵列，对网络上的填料进行进一步的“阵列锚固组装”，以得到导电性能更高的复合材料。该成果近日以“An anchoring array assembly method for enhancing the electrical conductivity of composites of polypropylene and hybrid fillers”为题发表于《Composites Science and Technology》杂志上。

  为了实现利用低填料含量制备高导电复合材料，北京化工大学吴大鸣教授团队提出了一种使用微阵列对聚合物基复合材料中的填料进行表面阵列锚固组装的方法（Anchoring Array Assembly Method，AAAM），并且使用聚丙烯（PP）为基体、铜粒子（CP）与碳纤维（CF）为填料在基于阵列锚固组装法的基础上制备了三元导电复合材料（图1）。该方法使用微阵列模具（图2）对大尺寸的CP进行排列限制，使得该复合材料在低填料浓度下具有较好的导电性能。与传统的热压印方法相比，AAAM可以很容易地将CP和CF布置成在PP基体中形成规则的三角形密集“岛桥”导电网络（图3），并提高复合材料的导电性。实验结果显示，相比传统加工方法，基于AAAM制备的导电复合材料的导电性能具有显著的提升。

图1.制备三元复合材料的表面阵列锚固组装的示意图

图2.微阵列模具结构示意图

图3.密集三角网络的CP与CF在复合材料中的结构图及复合材料的等效电路

图4.CF含量和复合材料压缩程度对电学性能的影响

  如图4所示，对基于锚固阵列组装法制备的导电复合材料的电性能的测试结果表明，在AAAM下复合材料的导电性能会在CF含量达到4 vol.% 时发生渗逾现象。继续提升填料浓度，AAAM制备的复合材料的电导率仍高于传统方法制备的样品。该研究还对导电材料不同压缩比下的电导率进行了测试与分析。结果发现，随着复合材料在厚度方向的进一步压缩，复合材料的电导率提高。这种电导率的增强效应在填料浓度偏低时会更加明显。在所有制备的样品中，通过AAAM制备的复合材料（厚度为0.2 mm，CF含量为18 vol.％ ，CP含量为2 vol.％）具有最高的电导率，为137.7 S/m 。比具有相同填充量的传统方法制备的复合物的电导率高约52倍。

  该工作以《An Anchoring Array Assembly Method for Enhancing the Electrical Conductivity of Composites of Polypropylene and Hybrid Fillers》为题发表在《Composites Science and Technology》（Compos. Sci. Technol. 2021，108846）上，第一作者为北京化工大学的朱嘉澍硕士，通讯作者为北京化工大学的黄尧副教授、吴大鸣教授、英国华威大学Tony McNally教授。其他作者有英国华威大学万超瑛教授，北京化工大学许红、刘颖、孙靖尧、高小龙、庄俭副教授。该研究工作得到了国家自然科学基金会的大力支持。

  原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0266353821002025