在復(fù)合材料的制造中，將功能性粉體（如導(dǎo)電的碳材料、增強(qiáng)或?qū)岬奶沾深w粒）均勻分散到聚合物基體中，是提升產(chǎn)品性能的核心。然而，這也是一個(gè)長期存在的共性難題——粉體的團(tuán)聚與分布不均，會(huì)對(duì)制品性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

碳納米管粉體

面對(duì)這一挑戰(zhàn)，常用的表征手段（如光學(xué)顯微鏡）雖能提供直觀圖像，但其過程往往耗時(shí)費(fèi)力，且屬于破壞性檢測(cè)，只能對(duì)樣品的局部區(qū)域“管中窺豹”，難以快速、無損地評(píng)估整個(gè)產(chǎn)品的宏觀均勻性。

那么，是否存在一種技術(shù)能夠突破這些局限呢？近期，小編看到了一篇利用太赫茲時(shí)域光譜評(píng)估碳納米管/聚丙烯復(fù)合材料分散性的研究，了解到了這項(xiàng)源于物理學(xué)的技術(shù)也能以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為解決這一行業(yè)難題提供全新的視角。

一、為何選擇太赫茲？

太赫茲波是一種介于微波和紅外光之間的電磁波。它擁有兩大關(guān)鍵特性，使其非常適合用于材料內(nèi)部探測(cè)：

l 透視能力：能夠穿透如塑料、陶瓷、紙張等非極性材料，直接探測(cè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

l 無損檢測(cè)：光子能量極低，不會(huì)對(duì)大多數(shù)材料造成電離損傷。

太赫茲波

更重要的是，太赫茲時(shí)域光譜是一種相干測(cè)量技術(shù)。它不僅能測(cè)量穿透樣品后太赫茲波的強(qiáng)度變化，還能精確記錄其相位變化。通過分析這些信息，可以直接計(jì)算出材料在太赫茲波段的兩個(gè)關(guān)鍵物理參數(shù)：折射率和吸收系數(shù)。研究者們推測(cè)，當(dāng)納米粉體在基體中的分散狀態(tài)不同時(shí)，必然會(huì)改變復(fù)合材料整體的介電特性，從而影響這兩個(gè)參數(shù)。

二、實(shí)驗(yàn)過程

為了驗(yàn)證上述猜想，研究人員設(shè)計(jì)了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)：

1、材料制備：他們通過熔融共混法，制備了含有0.5%體積分?jǐn)?shù)、不同表面修飾（未修飾、氨基修飾、羧基修飾）的多壁碳納米管的聚丙烯復(fù)合材料。

2、對(duì)比方法：同時(shí)使用傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡（計(jì)算分散指數(shù)D）和太赫茲時(shí)域光譜進(jìn)行測(cè)量。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，研究人員發(fā)現(xiàn)太赫茲參數(shù)與分散指數(shù)存在明確關(guān)聯(lián)。從光學(xué)顯微鏡結(jié)果顯示，羧基修飾的碳管分散性最好，未修飾的碳管分散性最差。與此同時(shí)，太赫茲測(cè)量結(jié)果顯示，對(duì)于分散性最好的樣品（羧基修飾），其吸收系數(shù)和折射率的數(shù)值最低；對(duì)于分散性最差的樣品（未修飾），吸收系數(shù)和折射率的數(shù)值最高。

圖：光學(xué)顯微照片，展示了不同類型 MWCNT 納米復(fù)合材料的團(tuán)聚體分散狀態(tài)：未功能化 (a)、氨基功能化 (b) 和羧基功能化 (c)

圖：純 PP 基體和負(fù)載不同功能化 MWCNT 的納米復(fù)合材料的折射率n與頻率的關(guān)系

圖：純PP基體和負(fù)載不同功能化 MWCNT 的納米復(fù)合材料的吸收系數(shù)α與頻率的關(guān)系

背后的物理機(jī)理：當(dāng)碳納米管團(tuán)聚嚴(yán)重時(shí)，會(huì)形成大量尺寸與太赫茲波長相當(dāng)?shù)纳⑸渲行模瑢?dǎo)致太赫茲波產(chǎn)生更強(qiáng)的散射和吸收，因此測(cè)得的吸收系數(shù)和折射率值更高。反之，當(dāng)分散均勻時(shí)，散射效應(yīng)減弱，太赫茲波更容易穿過，測(cè)得的參數(shù)值自然更低。

三、總結(jié)與展望

此項(xiàng)研究通過扎實(shí)的數(shù)據(jù)證實(shí)：太赫茲光譜的測(cè)量參數(shù)可以作為評(píng)估粉體分散性的有效、定量指標(biāo)，其最大的優(yōu)勢(shì)在于實(shí)現(xiàn)了 “無損、快速、宏觀統(tǒng)計(jì)” 的檢測(cè)。

盡管該研究以碳納米管為模型，但其核心原理——通過介電特性變化反映分散狀態(tài)——具有高度的普適性。這讓我們有理由推測(cè)，該技術(shù)同樣適用于更多場(chǎng)景：

l 評(píng)估陶瓷粉體在樹脂中的分布均勻性，進(jìn)而預(yù)測(cè)復(fù)合材料的硬度與耐磨性；

l 探測(cè)磁性粉體在基體中的取向與分布，關(guān)聯(lián)其磁性能；

l 無損監(jiān)測(cè)藥物粉體在藥片中的分布均勻度，保障藥品質(zhì)量。

他山之石，可以攻玉。這項(xiàng)研究清晰地表明，太赫茲技術(shù)這一源自物理學(xué)的前沿探測(cè)手段，完全有能力跨越學(xué)科邊界，在復(fù)合材料領(lǐng)域發(fā)展成為評(píng)估各類粉體/填料分散性的高效工具，為高端材料的研發(fā)與精準(zhǔn)質(zhì)量控制開啟新的可能。

資料來源：

Casini, R., Papari, G., Andreone, A., Marrazzo, D., Patti, A., & Russo, P. Dispersion of carbon nanotubes in melt compounded polypropylene based composites investigated by THz spectroscopy. 

粉體圈 NANA整理