纳米管纤维及其复合材料的制备-结构-性能关系研究

《纳米管纤维及其复合材料的制备-结构-性能关系研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、400050019050先进复合材料碳纳米管纤维及其复合材料的制备■结构■性能关系研究姓名:冯林兆学号:DY100110720年5月碳纳米管纤维及其复合材料的制备•结构•性能关系研究DY1001107冯林兆摘要：本文介绍了碳纳米管纤维的结构，性能以及用溶液纺丝法、阵列抽丝技术和浮动CVD法制备碳纳米管纤维。并且阐述了用溶液法、熔融法和原位聚合法制备碳纳米管纤维复合材料，以及复合材料的性能。关键词：碳纳米管纤维纳米复合材料性能引言自从Iijinw教授于1991年首次观察到碳纳米管(CNTs)以来，碳纳米管就迅速成为物理、化学和材

2、料学等领域热点之一，它不仅具有独特的一维管状纳米结构，同时也是迄今为止发现的唯一同时具备超高机械力学性能、热性能和电性能的超级材料甚至有人提出了用CNTs制备连接地球与其同步轨道卫星的“太空梯”(spaceelevator)的设想。白1994年Ajayan等将CNTs作为无机填料加入到聚合物基体中制备聚合物/碳纳米管复合材料以来，人们开展了大量研究工作，试图通过纳米复合技术，使CNTs充分解缠绕并均匀分散在聚合物基体中，以制备新型高性能多功能聚合物基复合材料。由于CNTs的直径通常小于lOOnm,因此当CNTs被充分解缠绕并均

3、匀分散时得到的其实就是纳米复合材料。以碳纳米管纤维为增强体制备的复合材料可望在航空航天、反弹装备、体育器械等领域有着巨大的应用潜力。1碳纳米管纤维的结构CNTs是一种新型的碳结构，可以形彖地认为是由碳六边形的石墨片按一定的螺旋度卷曲而成的无缝纳米级管状结构。根据组成的石墨片层数的不同，CNTs可分为单壁碳纳米管(SWNTs)和多壁碳纳米管(MWNTs),其结构如图1所示。CNTs的直径通常在零点几至一百纳米，长度可达厘米级，因此具有极大的长径比。每层纳米管是一个由碳原子主要通过SP?杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六角形

4、网格结构组成的圆柱而，但是由于存在一定曲率，也包含一定比例的SP?杂化。直径较小的SWNTs,曲率较大，SP?杂化的比例也就较大。2碳纳米管纤维的制备方法传统的纤维成型技术主要有熔融纺丝、溶液纺丝和固相纺丝法等，大部分合成纤维都是经由液相纺丝而成。然而碳纳米管由于其管壁内强大的SP?杂化键及管间的范徳华力等作用，致使其具有高度的热稳定性，在通常的温度条件下不具有熔融态，故熔融纺丝技术不适用于CNT-Fso当前已经发展的碳纳米管纤维成型技术主要基于溶液纺丝和固相纺丝。2.1碳纳米管纤维的溶液纺丝法碳纳米管纤维的溶液纺丝法借鉴于传

5、统纺丝工艺，以形成碳纳米管的稳定分散液为基础和关键。2000年法国波尔多第一大学Poulin教授领导的研究小组首先将0.35%的单壁碳纳米管(SWCNTs)分散在1.0%的SDS(十二烷基硫酸钠)中,以一定的注射速度注入聚乙烯醇(PVA)溶液屮，发现可以连续抽岀碳纳米管丝带。将此丝带洗涤、干燥处理后，得到了杨氏模量为9-15GPa＞拉伸强度在150MPa左右且柔性很高的纤维。Poulin等将成纤的原理归因于碳纳米管在进入PVA溶液中时PVA对SDS的置换作用，认为成纤的关键在于合适的SDS浓度以获得分散良好的碳纳米管。此后，P

6、oulin等通过纤维溶胀后拉伸160%、热拉伸等处理手段进一步对碳纳米管纤维的物性尤其是力学性能进行改进，发现碳纳米管纤维的强度可以大幅度提高至1.6GPaoX射线衍射研究表明，纤维中碳纳米管取向良好。2003年美国Texas大学的Dalton等在Poulin研究工作的基础上进一步使前述制备的碳纳米管纤维通过丙酮蒸气以使之集聚致密化，发现纤维强度可以大幅度提高至1.8GPa,断裂吸收能量高达570J/g,远远超过蜘蛛丝(165J/g)和Kevlar纤维(33J/g)的断裂吸收能，展示了碳纳米管在高韧性纤维领域如防弹衣等方面的巨

7、大应用潜力。其共同特点是使用聚合物溶液作为凝固浴，因而在所制备的纤维中掺入了高比例(40%左右)的聚合物。要想得到真正意义上的碳纳米管纤维，发挥碳纳米管自身的良好物性(如电学、热学特性)还必须除去这些杂质，増加后处理工序。为了制备出不含聚合物的碳纳米管纤维，Steinmetz将SDS分散的单壁碳纳米管溶液注入乙醇、甘油等小分子溶剂中，用硝酸铝盐作为凝固剂，制得了毫米级的棒状丝带。这些初生丝带强度弱、模量小(2GPa)、脆性高、且电阻率大，达到150mQ/cm。偏振拉曼光谱研究表明，丝带中碳纳米管取向性差是其导屯性不好的主要原因

8、。他们还发现这种丝带在实验温度范围内呈半导体性质，且导电性随着吸附上的分子不同而改变。因此，其可能在化学传感方面有重要的潜在应用。在表面活性剂中分散良好的碳纳米管，当改变pH值时，会从其分散体系中II舜间凝聚析出。Kozlov等利用该现彖，将LDS(十二烷基苯碱酸锂)/水溶液