碳纳米管增强超高分子量聚乙烯复合材料的表面-力学-电学协同调控机制及传感应用研究

本研究针对超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料在传感器应用中表面特性调控不足的问题，通过系统研究碳纳米管(CNT)填料浓度(0-2 wt%)与模压参数对材料表面形貌、力学性能及导电性的影响。发现CNT添加使表面粗糙度提升至113 nm，0.5%浓度时疏水性最佳；模压压力可协同提升硬度(5.51 GPa)和模量(32.58 GPa)，电导率显著改善。该研究为功能性复合材料设计提供了多参数调控策略。

　　

在工程材料领域，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)因其卓越的冲击抗性和生物相容性，从防弹装甲到人工关节均有广泛应用。然而，当这种"塑料之王"遇上纳米尺度的碳纳米管(CNT)——这种理论模量高达1 TPa的超级材料时，会碰撞出怎样的火花？这正是土耳其航空航天工业公司(TAI)支持的研究团队在《Materials Research Bulletin》上发表的突破性工作所要揭示的。

传统研究多聚焦于CNT/UHMWPE复合材料的力学增强效应，却忽视了表面特性这一决定传感器性能的关键因素。研究团队创新性地将表面形貌、润湿性与机电性能纳入统一研究框架，通过精确调控CNT浓度(0-2 wt%)和模压参数(压力20-100 MPa，温度160-200°C)，制备了系列复合材料。采用原子力显微镜(AFM)定量表征表面粗糙度，结合接触角测试评估润湿性变化；通过纳米压痕技术测定力学性能，四探针法测量电导率。

材料与试样制备
选用分子量3-6百万的UHMWPE粉末与直径8-10 nm的CNTs，通过乙醇分散和热压成型制备试样。特别值得注意的是，研究设置了7组不同CNT含量的试样(0%、0.1%、0.3%、0.5%、1%、1.5%、2%)，并考察了模压压力(20/60/100 MPa)和温度(160/180/200°C)的梯度影响。

结果与讨论
表面特性
AFM显示CNT添加使表面粗糙度呈单调递增，2%含量时达113 nm峰值。但接触角测试发现疏水性仅在0.5% CNT时最优(θ>90°)，更高含量因填料团聚反而降低。模压压力增加能平滑表面，而温度升高导致粗糙度反弹。

力学性能
纳米压痕测试揭示CNT的显著增强效应：2%含量时硬度(5.51 GPa)和弹性模量(32.58 GPa)较纯UHMWPE提升3倍。模压压力通过促进填料取向进一步提升性能，但温度超过180°C会引起聚合物链松弛，导致力学指标下降5-8%。

电学性能
CNT构建的三维导电网络使电阻率降低4个数量级，0.34 wt%即达渗流阈值。模压压力通过改善填料接触进一步降低电阻，而温度影响微弱(<5%波动)。这种稳定的导电行为使材料适用于压力传感。

结论与展望
该研究首次建立了CNT含量-加工参数-性能的定量关系图谱：

1. 表面特性呈现"先增后减"的非单调变化，0.5% CNT为疏水性拐点
2. 力学性能主要受CNT含量和模压压力正向调控，但高温会产生负面影响
3. 电导率提升主要依赖CNT网络形成，对温度不敏感

这些发现不仅填补了CNT/UHMWPE复合材料表面特性研究的空白，更为设计多功能传感器材料提供了明确指导——通过精确控制0.3-0.5% CNT含量配合60-100 MPa模压压力，可同步优化表面润湿性、力学强度和导电性。研究团队特别指出，该材料体系在人工关节的磨损监测、智能防护装备的压力传感等领域具有直接应用潜力。未来工作将聚焦于CNT表面功能化对界面结合的进一步优化。