通过模拟相邻碳纳米纤维之间的隧穿距离来调控复合材料的隧穿电阻和导电性

《Polymer Composites》：Modeling of Tunneling Distance Among Nearby Carbon Nanofibers to Control the Tunneling Resistance and Electrical Conductivity of Composites

聚合物碳纳米纤维复合材料的电子传输受限于相邻纳米颗粒间绝缘聚合物薄膜构成的隧道，本研究建立Weber-Kamal和Deng-Zheng导电性模型，揭示隧穿距离λ与纳米纤维浓度、临界渗滤阈值、纤维尺寸、界面深度、纤维波形、接触数、网络分数及接触直径相关，并验证各参数对λ的影响规律。

　　

摘要

在聚合物碳纳米纤维（CNF）复合材料（PCNFs）中，较大的隧道结构会限制电子在纳米复合材料内的传输，因为这些隧道由被绝缘聚合物薄膜分隔的相邻纳米颗粒组成。然而，隧穿距离（λ）仍然是一个未确定的参数，在以往的研究中并未得到充分探讨。在本文中，我们建立了Weber–Kamal模型和Deng–Zheng模型来描述PCNF的导电性，并利用实验数据评估了这些模型的预测准确性。随后，我们利用这些模型将隧穿距离（λ）表示为CNF浓度、渗透阈值、CNF尺寸、界面层深度、CNF波动性、接触点数量、网络占比以及接触直径的函数。通过分析每个参数对隧穿距离（λ）的影响，验证了所提出的方程式。较低的渗透阈值、较大的界面层深度、较小的波动性、较多的接触点数量、较大的接触直径以及较高的网络占比会导致更窄的隧道结构。当CNF半径（R）为90纳米、CNF长度为50微米时，隧穿距离的最大值为40纳米；而当CNF半径（R）小于57纳米时，隧穿距离减小至1纳米。因此，最粗且最短的CNF会产生最大的隧道，而最窄的隧道则由最细的CNF形成。这些数据凸显了CNF尺寸对隧穿距离的重要影响，进而影响纳米复合材料的导电性能。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。