机敏材料渗透现象研究

无限网链理论［55］认为，当导电相掺量较小时，导电相会孤立地分散在绝缘材料中，导电作用不大，此时导电相掺量对机敏复合材料的电阻率影响不明显；随导电相掺量的增多，导电相之间形成导电网链，当导电相掺量进一步增大到渗流区域时，导电链迅速变长，复合材料的电阻率急剧减小；当贯穿的导电链形成后，增加导电相掺量会使导电通路更加丰满，导电链的数目更多，此时复合材料的电阻率随导电相掺量的增加而减小，但减小速度大大降低。导电复合材料中形成无穷大的贯穿导电链的临界条件是：

式6-1中，ψ是导电相在复合材料中的实际占位机率；ψc是导电相的临界占位概率；η是复合材料中导电相的配位数。式6-2中，ϑp是导电相实际占据空格的体积分数；ϑ0是导电相可能占据空格的体积分数（即复合材料的密实系数）。

对导电相为碳纤维的水泥基机敏复合材料来说，在渗流区域处碳纤维由彼此分散状态过渡到连续网状结构，是一个突变的过程，其前后碳纤维在水泥基体中的分布对应与图6-1中的（a）和（c），同时机敏材料的导电性也会出现突变。但实质上导电通路是逐步形成的，碳纤维还存在一个重要的过渡状态（b）。综上所述，碳纤维的分布有三种状态：（a）碳纤维掺量很少时，碳纤维会孤立地分散在水泥基体中，导电作用不大，此时碳纤维对机敏材料电阻率的影响不明显，电阻率很大，材料表现为绝缘体；（b）碳纤维掺量位于渗流区域时，碳纤维部分断开、部分连续，在基体中形成部分连续的导电网络，且导电链迅速变长，依靠电子的隧道效应导电，使得机敏材料的电阻率急剧下降，材料表现为由绝缘体向半导体转变；（c）碳纤维掺量继续增加时，碳纤维形成连续的导电链，导电通路更加丰满，此时材料的电阻率随碳纤维掺量的增多变化不明显。

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图6-1　碳纤维在水泥基中分布及等效电路图

对导电相为碳纤维-石墨的水泥基机敏材料来说，由于石墨的比表面积和表面能较大，向水泥基体中加入石墨会出现团聚现象，石墨在水泥基体中的分散类似“葡萄串”结构，如图6-2所示。该机敏材料的渗流机理探讨是建立在碳纤维-石墨共同作用的基础上。当不掺石墨时，少量碳纤维可以较均匀地分散在水泥基体中，依靠碳纤维间电子形成的隧道效应或局部搭接的碳纤维网络进行导电，材料电阻率较大；当石墨掺量很少时，石墨颗粒、碳纤维彼此孤立，且颗粒与颗粒之间存在较大的空隙，材料电阻率下降幅度很小，渗流曲线无明显转变；当石墨掺量位于渗流区域时，碳纤维与石墨及石墨颗粒之间间隙变小，电子跃迁概率大，电子隧道效应显著，部分碳纤维、石墨颗粒出现接触现象，形成局部碳纤维-石墨及石墨-石墨的导电通路，形成了近似连通的导电链，导致电阻率急剧下降，渗流曲线出现明显的转变；继续增大石墨掺量时，碳纤维及大部分石墨颗粒均已相互接触，碳纤维、石墨颗粒在水泥基体中形成贯穿而连续的导电链，电阻率仍会下降，但下降不明显。

图6-2　碳纤维-石墨水泥砂浆试块内部结构示意图