连续碳纳米管薄膜及其复合材料的制备与性能研究

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1、学校代码10255学号1139027东华大学博士学位论文连续碳纳米管薄膜及其复合材料的制备与性能研究学科专业纺织复合材料研究生胡东梅导师孙宝忠顾伯洪二零一八年一月StudyonthepreparationandpropertiesofcontinuouscarbonnanotubefilmscompositesDongmeiHuSupervisedbyDr.BaozhongSun&Dr.BohongGuADISSERTATIONSUBMITTEDTOTHECOLLEGEOFTEXTILESANDTHECOMMITTEEOFGRADUATESTUDIESOFDONGHUAUNIVERS

2、ITYINPARTIALFULFILLMENTOFTHEREQUIREMENTSFORTHEDEGREEOFDOCTOROFPHILOSOPHYDonghuaUniversityShanghai,P.R.China,201620January,2018东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得成果。除文中已明确注明和引用内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过作品及成果内容。论文为本人亲自撰写，我对所写内容负责，并完全意识到本声明法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日东华大

3、学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全解学校有关保留、使用学位论文规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本版权书。本学位论文属于不保密√。学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日东华大学胡东梅博士学位论文答辩委员会成员名单姓名职称职务工作单位备注晏雄教授答辩委员会主席东华大学黄莉茜教授答辩委员会委员东华大学杜赵群教授答辩委员会委员东华大学陈廷教授答辩委员会委员苏州大学中国科

4、学院苏州纳米技吕卫帮研究员答辩委员会委员术与纳米仿生研究所崔启璐助理研究员答辩委员会秘书东华大学东华大学博士学位论文摘要连续碳纳米管薄膜及其复合材料的制备与性能研究摘要碳纳米管作为典型的一维纳米材料，其特有的中空管状结构、较高的长径比和化学稳定性、优异的力学、电学及光学等性能，一直成为基础研究与应用开发的热点。在微纳尺度下，单根碳纳米管具有超强的力学性能，其拉伸强度高达100GPa，杨氏模量超过1TPa，断裂伸长率达30%，能量吸收性能较传统高性能纤维高1-2个数量级。同时，碳纳米管在常温下呈现特有的弹道导电行为，并具有比铜高两个数量级的载流能力。此外，单壁碳纳米管的热导率高达300

5、0W/（mK），和金刚石相当。如何将碳纳米管优异物理特性在其宏观材料中发挥出来是实现碳纳米管应用的关键所在。最近几年，碳纳米管宏观体的结构与性能的研究得到广泛关注并取得实质性突破，碳纳米管宏观体已成为新一代关键材料开发的热点。本学位论文系统研究碳纳米管薄膜的组装方法、复合薄膜的静态、动态力学性能，从纳观、微观到宏观尺度上分析碳纳米管薄膜的内在力、热的传输机制与规律，具体研究内容如下：首先研究基于阵列纺丝拉膜法和浮动催化法制备的碳纳米管薄层，根据两种碳纳米管薄层的微观结构形态（阵列纺丝拉膜法碳纳米管取向性能好，浮动催化法碳纳米管呈现网络结构），设计干法固态层层组装的碳纳米管薄膜可控制备

6、方法，重点研究溶剂收缩、牵伸和热压等方法对碳纳米管薄膜力学性能的强化作用，结构显示，阵列纺丝拉膜法和浮动催化法获得的碳纳米管薄膜的拉伸强度分别可达到1500MPa和345MPa，这为碳纳米管复合薄膜的制备及性能提升研究奠定基础。为进一步提升碳纳米管薄膜的力学性能，以阵列纺丝拉膜法获得的取向碳纳米管薄膜为骨架增强相，分别引入石墨烯、高分子为第二组分基体相，根据碳纳米管自身结构的特点，进行不同种方式复合，重点研究第二组分的引入对复合薄膜力、电性能的强化作用，通过微观结构分析力学和电学性能，阐述复合薄膜中基体相的增强作用机制，并通过调整第二组的质量分数、制备条件而获得最佳工艺参数，为实现碳

7、纳米管薄膜在结构功能一体化材料的设计与应用方面研究提供科学依据。针对浮动催化法获得的大尺寸碳纳米管薄膜，通过物理方法多层堆叠、与超高分子量聚乙烯无纬布（UHMWPEUD）复合及层合结构设计，并进行弹道性能测试，研究碳纳米管薄膜与UHMWPEUD的层合结构对抗弹速度、弹道凹陷的影响规律，通过微观扫描电镜结合材料弹道结构破坏模式分析碳纳米管薄膜具有高能量吸收特性的机理，重点考察碳纳米管薄膜的层合方式、插层位置与弹道V50值、凹陷深度的关系，为实现碳纳米管薄膜在