碳纳米复合材料.doc

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1、碳纳米管及其复合材料2007-4-314:18:08     【文章字体：大 中 小】 打印  收藏  关闭 　　纳米技术是21世纪的前沿科学技术，碳纳米管技术则是该领域中一个强有力的生长点。碳纳米管问世十三年来，日益引起了人们极大的兴趣，其独特的性能正在被认识并加以利用，如何降低成本，大量生产有特定结构的碳纳米管依然是人们的努力方向，含碳纳米管的聚合物复合材料蕴含着巨大的发展潜力。　　高聚物/碳纳米管复合材料　　碳纳米管于1991年由s.iijima发现，其直径比碳纤维小数千倍，其性能远优于现今

2、普遍使用的玻璃纤维。其主要用途之一是作为聚合物复合材料的增强材料。　　碳纳米管基本上可分为单壁型和多壁型两类。虽然他们乍看起来非常相似，但其制作方法和性能不尽相同。纳米管的结构决定它们是具有金属性还是具有半导体性质。大约三分之二的单壁纳米管属于半导体型，三分之一属金属型。至于多壁纳米管，由于各层壳的性能的叠加，难以做出明显区别，但大体上是金属型。单壁型碳纳米管外径一般为1到2nm，多壁型纳米管直径则在8到12nm之间，它的典型长度一般为10微米，最长可达100微米，长径比至少可达1000：1。　　

3、美国国内纳米管的生产商有HyperionCatalysis（产品是多壁纤维纳米管）和新登陆的ZyvexCorp（产品有单壁和多壁纳米管）。这两家厂商提供的母料中都含有15％到20％的纳米管。　　碳纳米管的力学性能相当突出。现已测出多壁纳米管的平均弹性模量为1.8TPa。碳纳米管的拉伸强度实验值约为200GPa，是钢的100倍，碳纤维的20倍。碳纳米管弯曲强度为14.2GPa,尽管碳纳米管的拉伸强度如此之高，但它们的脆性不象碳纤维那样高。碳纤维在约1%变形时就会断裂，而碳纳米管要到约18%变形时才会

4、断裂。碳纳米管的层间剪切强度高达500MPa，比传统碳纤维增强环氧树脂复合材料高一个数量级。　　在电性能方面，碳纳米管用作聚合物的填料具有独特的优势。加入少量碳纳米管即可大幅度提高材料的导电性。与以往为提高导电性而向树脂中加入的碳黑相比，碳纳米管有高的长径比，因此，其体积含量可比球状碳黑减少很多。多壁碳纳米管的平均长径比约为1000；同时，由于纳米管的本身长度极短而且柔曲性好，它们填入聚合物基体时不会断裂，因而能保持其高长径比。爱尔兰都柏林trinity学院进行的研究表明，在塑料中含2%－3%的多

5、壁碳纳米管使电导率提高了14个数量级，从10-12s/m提高到了102s/m。　　碳纳米管已经在一些国家获得实际应用，例如美国RTP公司开发了一系列碳纳米管配混料，截止到2003年，可供的配混料类型有聚烯烃、聚酰胺、聚碳酸脂/ABS混合料、聚苯乙烯、聚碳酸脂、聚酯、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺和聚醚醚酮，其它聚合物共混料也在开发之中。用于航天工业中的聚合物，在飞行时外部气流与一般材料（如玻璃纤维）增强的树脂之间产生的摩擦常引起静电而干扰无线通讯。用碳纳米管增强工程塑料将可以在大幅度提高基体树脂力学性能的同

6、时解决这一问题。美国国家航空与宇宙航行局（NASA）和休斯敦的rice大学已在准备碳纳米管在航天领域与聚合物复合的首批应用。　　碳纳米管对聚合物材料的改性应用 　　目前碳纳米管聚合物复合材料的研究重点是如何利用碳纳米管的优良特性达到材料的增强，或实现提高材料的导电性、电磁屏蔽性和光电子发射性能等目的。用碳纳米管制备复合材料的最大优点是易于加工成型。试验发现碳纳米管比碳纤维硬且脆性低，用多壁碳纳米管与聚合物制成的复合材料其断裂前的变形率较碳纤维的同类制品大。高模量和高弹性应变使碳纳米管有资格成为复合

7、材料潜在的增强剂。在由松散结合的纳米管做成的复合材料中，一根纤维的失效几乎不导致相邻纳米管的过载，因此能将载荷有效地传递到纳米管上实现增强的目的。　　Haggenmueller,R等制备了有良好的力学、电学性能的聚甲基丙烯酸甲酯/单壁碳纳米管复合物。Bower,C.等发现含碳纳米管的热塑性塑料复合物的断裂张力比用碳纤维改性的复合物的要高10到100倍,当复合物在受压或被拉伸时,显示出较好的应力传递。Lourie,O等观察了环氧树脂薄膜中单壁碳纳米管畸变和断裂模式，该复合物对压缩弯曲的临界应力增加了

8、30％。Lozano,K.等将碳纳米管分散到聚丙烯中，提高了复合材料的工作温度，其力学模量也增加了350％。Ajay-an,P.等合成了含5％单壁碳纳米管束的环氧树脂。Qian,D.等制成了含多壁碳纳米管的聚苯乙烯复合材料，发现质量百分数为1％的碳纳米管会使聚合物的弹性模量和断裂应力分别增加36－42％和25％。Tibbetts和McHugh发现，要使材料的弹性模量有相同的增长，碳纤维的加入量约为碳纳米管的十倍。高强度碳纳米管复合材料在航天技术中也有重要应用，美国国家航空航天管理局