背景简介

导电聚合物复合材料（CPCs）因其轻质、易加工及可调的电学特性，在电磁屏蔽、结构健康监测（SHM）及柔性传感等先进结构与装备领域展现出巨大潜力。在保障复合材料结构完整性的前提下，实现高效的导电网络构建是当前研究的核心挑战之一。传统的材料设计范式普遍追求导电填料（如短碳纤维、碳纳米管）在基体中的均匀分布。然而，在实际加工（如注塑、挤出）过程中，受剪切流场和几何效应驱动，纤维的局部聚集（团聚）不可避免。

这种空间分布的不均匀性通常被视为导致材料性能劣化的“缺陷”。然而，将其简单归结为负面因素缺乏严密的物理与定量依据。如何在微观尺度上精确量化纤维的空间分布状态，并建立“微观聚集特征-导电网络拓扑-宏观电学性能”的定量映射关系？为此，本文提出了一种结合显微CT表征与空间统计学的图像驱动计算框架，系统揭示了微观聚集对复合材料导电性能的非单调影响机制，为通过工艺调控优化CPCs结构与性能提供了全新的理论视点。

成果介绍

（1）真实微观结构的精细表征与参数化建模

获取并量化填料的真实空间分布是探究其对性能影响的前提。本研究首先利用高分辨率显微CT（Micro-CT）对注塑成型的SCF/HDPE复合材料进行了三维无损重构，精确提取了短碳纤维空间坐标与取向信息。在此基础上，创新性地引入了空间统计学中的Ripley's K函数及DBSCAN聚类算法，对不同体积分数下的纤维分布进行了定量评估。结果证实，在较低体积分数下（1.96 vol%），纤维趋于完全随机分布；而在较高分数下（3.60 vol%），则呈现出显著的统计学聚类（Clustering）特征。为实现对聚类状态的独立解耦控制，本研究进一步构建了基于Matérn聚类过程（MCP）的参数化代表性体积元（RVE）模型，实现了对团簇纤维比例（ξc）、每个团簇内纤维数量（nf）和团簇半径（rc）的精确数值重构。

图1 基于显微CT的复合材料内部短碳纤维三维网络重构与空间特征提取

图2 基于空间统计学与聚类算法的纤维团聚特征识别

图3 基于参数化RVE模型的纤维团聚状态调控

（2）揭示“微观聚集”对宏观导电性能的非单调增强效应

突破“填料分布越均匀越好”的传统认知，本研究通过大规模数值模拟发现：完全随机分散的纤维网络并非实现电学性能的最优解。在固定纤维总体积分数的前提下，调节局部聚类参数（nf和rc）时，复合材料的电导率呈现出显著的“先升后降”的非单调变化趋势。特别是在渗流阈值附近，适度的纤维微观聚集能够极大优化导电路径，使材料的整体电导率相较于完全随机分布状态提升高达六个数量级。这一发现表明，微观层面的结构不均匀性若得到合理控制，不仅不会削弱性能，反而可作为一种“结构催化剂”，显著降低复合材料的渗流阈值。这为在不增加填料载荷（从而保障基体结构力学完整性）的前提下提升导电性能提供了新路径。

图4 不同微观聚集特征（n_f）下复合材料渗流阈值的偏移与电导率的非单调演化规律

（3）阐明“簇内-簇间”连通性竞争的拓扑机制

为解释上述反常识的非单调行为，本研究从导电网络的微观拓扑演化角度提出了“簇内（Intra-cluster）与簇间（Inter-cluster）连通性竞争”机制。分析表明：

完全随机分布导致纤维间距普遍较大，难以形成有效的物理接触网络；

过度聚集（极大nf或极小rc) 会导致大量纤维被束缚在少数孤立的“高密度孤岛”中，尽管簇内局部导电性极佳，但由于孤岛间距过大且缺乏游离纤维的桥接，全局电荷传输受阻，导致宏观绝缘；

适度聚集促使材料内部形成大量微小且密集的导电核心。这些核心内部纤维高度搭接（簇内间距极小），而核心之间由于距离适中，只需借助基体中极少数的随机分布纤维即可实现有效连接。这种“簇内高密度导通、簇间有效桥接”的均衡拓扑结构，最终造就了最优的宏观电学性能。

图5 不同微观聚集特征（n_f）对导电网络的影响（从左到右分别为随机分布、适度团聚和过度团聚）

结语

本研究系统论证了微观结构不均匀性对复合材料功能特性的双刃剑效应。适度的纤维聚集能够通过优化导电网络的空间拓扑，实现导电性能的数量级跃升。这为先进复合材料的制造带来了重要启示：在未来的工艺设计中，应从单纯追求“绝对分散”向“定制化空间分布调控”转变。通过综合调控剪切场与成型工艺参数，主动诱导“适度微观聚集”状态的形成，将有助于开发具备高导电及优异传感性能的复合材料。

致谢

该研究工作得到了国家自然科学基金（批准号：52175150、52305427）、浙江省自然科学基金（批准号：LQ24E050003）和中国博士后科学基金（批准号：2023M733035）的支持。本文第一作者：施建峰教授（浙江大学特种装备所），第一学生作者：严敏（浙江大学特种装备所），本文通讯作者：姚日雾副研究员（杭州市北航国际创新研究院）。

本期小编 严 敏（整理）

董乃健 （发布）