在复合材料的制造中，将功能性粉体（如导电的碳材料、增强或导热的陶瓷颗粒）均匀分散到聚合物基体中，是提升产品性能的核心。然而，这也是一个长期存在的共性难题——粉体的团聚与分布不均，会对制品性能产生严重影响。

碳纳米管粉体

面对这一挑战，常用的表征手段（如光学显微镜）虽能提供直观图像，但其过程往往耗时费力，且属于破坏性检测，只能对样品的局部区域“管中窥豹”，难以快速、无损地评估整个产品的宏观均匀性。

那么，是否存在一种技术能够突破这些局限呢？近期，小编看到了一篇利用太赫兹时域光谱评估碳纳米管/聚丙烯复合材料分散性的研究，了解到了这项源于物理学的技术也能以其独特的优势，为解决这一行业难题提供全新的视角。

一、为何选择太赫兹？

太赫兹波是一种介于微波和红外光之间的电磁波。它拥有两大关键特性，使其非常适合用于材料内部探测：

l 透视能力：能够穿透如塑料、陶瓷、纸张等非极性材料，直接探测内部结构。

l 无损检测：光子能量极低，不会对大多数材料造成电离损伤。

太赫兹波

更重要的是，太赫兹时域光谱是一种相干测量技术。它不仅能测量穿透样品后太赫兹波的强度变化，还能精确记录其相位变化。通过分析这些信息，可以直接计算出材料在太赫兹波段的两个关键物理参数：折射率和吸收系数。研究者们推测，当纳米粉体在基体中的分散状态不同时，必然会改变复合材料整体的介电特性，从而影响这两个参数。

二、实验过程

为了验证上述猜想，研究人员设计了严谨的实验：

1、材料制备：他们通过熔融共混法，制备了含有0.5%体积分数、不同表面修饰（未修饰、氨基修饰、羧基修饰）的多壁碳纳米管的聚丙烯复合材料。

2、对比方法：同时使用传统的光学显微镜（计算分散指数D）和太赫兹时域光谱进行测量。

经过实验对比，研究人员发现太赫兹参数与分散指数存在明确关联。从光学显微镜结果显示，羧基修饰的碳管分散性最好，未修饰的碳管分散性最差。与此同时，太赫兹测量结果显示，对于分散性最好的样品（羧基修饰），其吸收系数和折射率的数值最低；对于分散性最差的样品（未修饰），吸收系数和折射率的数值最高。

图：光学显微照片，展示了不同类型 MWCNT 纳米复合材料的团聚体分散状态：未功能化 (a)、氨基功能化 (b) 和羧基功能化 (c)

图：纯 PP 基体和负载不同功能化 MWCNT 的纳米复合材料的折射率n与频率的关系

图：纯PP基体和负载不同功能化 MWCNT 的纳米复合材料的吸收系数α与频率的关系

背后的物理机理：当碳纳米管团聚严重时，会形成大量尺寸与太赫兹波长相当的散射中心，导致太赫兹波产生更强的散射和吸收，因此测得的吸收系数和折射率值更高。反之，当分散均匀时，散射效应减弱，太赫兹波更容易穿过，测得的参数值自然更低。

三、总结与展望

此项研究通过扎实的数据证实：太赫兹光谱的测量参数可以作为评估粉体分散性的有效、定量指标，其最大的优势在于实现了 “无损、快速、宏观统计” 的检测。

尽管该研究以碳纳米管为模型，但其核心原理——通过介电特性变化反映分散状态——具有高度的普适性。这让我们有理由推测，该技术同样适用于更多场景：

l 评估陶瓷粉体在树脂中的分布均匀性，进而预测复合材料的硬度与耐磨性；

l 探测磁性粉体在基体中的取向与分布，关联其磁性能；

l 无损监测药物粉体在药片中的分布均匀度，保障药品质量。

他山之石，可以攻玉。这项研究清晰地表明，太赫兹技术这一源自物理学的前沿探测手段，完全有能力跨越学科边界，在复合材料领域发展成为评估各类粉体/填料分散性的高效工具，为高端材料的研发与精准质量控制开启新的可能。

资料来源：

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. 

粉体圈 NANA整理