碳纳米管比例较高时
形成高效导电通路:碳纳米管具有优异的电学性能,其长径比大,能够在较低的填充量下形成有效的导电通路。当碳纳米管在复合材料中的比例较高时,比如碳纳米管与乙炔炭黑的比例达到 3:1 及以上,碳纳米管之间更容易相互连接,构建起一个连续的导电网络。这种连续的导电网络就像一个遍布材料内部的 “高速公路”,使得电子能够在其中快速传导,从而显著降低复合材料的电阻率,极大地提高材料的导电性。
量子隧道效应增强:在高比例的碳纳米管情况下,量子隧道效应也更加明显。由于碳纳米管的纳米级尺寸,电子可以通过隧道效应在相邻的碳纳米管之间跃迁,即使碳纳米管之间没有直接接触,也能实现电荷的传递。这种量子隧道效应进一步增强了复合材料的导电性能,使得材料能够在较低的碳纳米管含量临界值下就展现出良好的导电性。
乙炔炭黑比例较高时
导电通路的局限性:乙炔炭黑的导电性能虽然也不错,但相比于碳纳米管,其构建连续导电通路的能力较弱。当乙炔炭黑在复合材料中的比例较高,例如碳纳米管与乙炔炭黑的比例低于 1:3 时,由于乙炔炭黑颗粒之间的接触方式相对较为简单,主要是通过颗粒之间的直接接触来传导电子。这种情况下,很难形成像碳纳米管那样高效的、连续的导电网络,电子在材料中的传导路径受到限制,导致复合材料的电阻率相对较高,导电性不如碳纳米管比例高时的情况。
团聚对导电性的负面影响:此外,乙炔炭黑颗粒在高比例时更容易团聚。团聚后的乙炔炭黑会导致局部导电性能不均匀,在团聚区域电子传导相对容易,但在团聚体之间的区域电子传导困难,从而影响整体的导电性。而碳纳米管在一定程度上可以穿插在乙炔炭黑团聚体之间,缓解这种团聚现象对导电性的不利影响,但如果乙炔炭黑比例过高,碳纳米管的这种缓解作用也会有限。
两者比例适中时
协同效应提高导电性:当碳纳米管和乙炔炭黑的比例适中,例如在 1:1 - 3:2 的范围内,两者可以发挥协同效应。乙炔炭黑可以填充在碳纳米管之间的空隙中,增加导电接触点的数量。同时,碳纳米管可以为乙炔炭黑提供一种 “桥接” 作用,帮助乙炔炭黑颗粒更好地连接,使得电子传导路径更加多样化和连续化。这种协同作用可以在一定程度上优化复合材料的导电网络,使材料在保持较好的加工性能和物理性能的同时,也能具有良好的导电性。