聚合物复合材料中电学与热学渗流的统一建模与实验实现

由于填料颗粒纳米尺度结处电荷与热载流子的复杂贡献，聚合物复合材料中电传导与热传导之间的关联一直模糊不清。关于聚合物复合材料中是否存在热渗流的相互矛盾的报告，使其数十年来成为极具争议的话题。在此，我们发展了一个广义渗流框架，可在极宽的填料-基体电导率比（Y_f/Y_m）范围内（跨越20个数量级）描述电导率与热导率。我们的统一理论对电导率给出了真正的分类：典型 Y_f/Y_m >= 10^10 时为绝缘体-导体渗流，具有标准幂律行为；热导率在 10^2<= Y_f/Y_m <= 10^4 时为差-良导体渗流，以两个普适临界指数为特征。通过在聚丙烯中构建多壁碳纳米管的三维隔离且充分延展的网络作为模型聚合物基体，并采用精心设计的制备工艺，对我们理论框架的普适与统一特征进行了实验验证。我们研究了所制备复合材料在不同填料含量（最高达5 vol%）下电导率与热导率的演化。显著地，我们发现了0.02 vol%的超低电渗流阈值与1.5 vol%的创纪录低的热渗流阈值。我们还将理论模型应用于文献中报道的23个独立实验与数值数据集（包含超过350个数据点，系统具有不同微观细节），表明它们全部坍缩到我们所提出的仅依赖于维度的普适标度函数上。