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《納米管纖維及其復(fù)合材料的制備-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系研究》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在工程資料-天天文庫(kù)。
1、400050019050先進(jìn)復(fù)合材料碳納米管纖維及其復(fù)合材料的制備■結(jié)構(gòu)■性能關(guān)系研究姓名:馮林兆學(xué)號(hào):DY100110720年5月碳納米管纖維及其復(fù)合材料的制備?結(jié)構(gòu)?性能關(guān)系研究DY1001107馮林兆摘要：本文介紹了碳納米管纖維的結(jié)構(gòu)，性能以及用溶液紡絲法、陣列抽絲技術(shù)和浮動(dòng)CVD法制備碳納米管纖維。并且闡述了用溶液法、熔融法和原位聚合法制備碳納米管纖維復(fù)合材料，以及復(fù)合材料的性能。關(guān)鍵詞：碳納米管纖維納米復(fù)合材料性能引言自從Iijinw教授于1991年首次觀察到碳納米管(CNTs)以來(lái)，碳納米管就迅速成為物理、化學(xué)和材
2、料學(xué)等領(lǐng)域熱點(diǎn)之一，它不僅具有獨(dú)特的一維管狀納米結(jié)構(gòu)，同時(shí)也是迄今為止發(fā)現(xiàn)的唯一同時(shí)具備超高機(jī)械力學(xué)性能、熱性能和電性能的超級(jí)材料甚至有人提出了用CNTs制備連接地球與其同步軌道衛(wèi)星的“太空梯”(spaceelevator)的設(shè)想。白1994年Ajayan等將CNTs作為無(wú)機(jī)填料加入到聚合物基體中制備聚合物/碳納米管復(fù)合材料以來(lái)，人們開(kāi)展了大量研究工作，試圖通過(guò)納米復(fù)合技術(shù)，使CNTs充分解纏繞并均勻分散在聚合物基體中，以制備新型高性能多功能聚合物基復(fù)合材料。由于CNTs的直徑通常小于lOOnm,因此當(dāng)CNTs被充分解纏繞并均
3、勻分散時(shí)得到的其實(shí)就是納米復(fù)合材料。以碳納米管纖維為增強(qiáng)體制備的復(fù)合材料可望在航空航天、反彈裝備、體育器械等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。1碳納米管纖維的結(jié)構(gòu)CNTs是一種新型的碳結(jié)構(gòu)，可以形彖地認(rèn)為是由碳六邊形的石墨片按一定的螺旋度卷曲而成的無(wú)縫納米級(jí)管狀結(jié)構(gòu)。根據(jù)組成的石墨片層數(shù)的不同，CNTs可分為單壁碳納米管(SWNTs)和多壁碳納米管(MWNTs),其結(jié)構(gòu)如圖1所示。CNTs的直徑通常在零點(diǎn)幾至一百納米，長(zhǎng)度可達(dá)厘米級(jí)，因此具有極大的長(zhǎng)徑比。每層納米管是一個(gè)由碳原子主要通過(guò)SP?雜化與周?chē)?個(gè)碳原子完全鍵合后所構(gòu)成的六角形
4、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)組成的圓柱而，但是由于存在一定曲率，也包含一定比例的SP?雜化。直徑較小的SWNTs,曲率較大，SP?雜化的比例也就較大。2碳納米管纖維的制備方法傳統(tǒng)的纖維成型技術(shù)主要有熔融紡絲、溶液紡絲和固相紡絲法等，大部分合成纖維都是經(jīng)由液相紡絲而成。然而碳納米管由于其管壁內(nèi)強(qiáng)大的SP?雜化鍵及管間的范徳華力等作用，致使其具有高度的熱穩(wěn)定性，在通常的溫度條件下不具有熔融態(tài)，故熔融紡絲技術(shù)不適用于CNT-Fso當(dāng)前已經(jīng)發(fā)展的碳納米管纖維成型技術(shù)主要基于溶液紡絲和固相紡絲。2.1碳納米管纖維的溶液紡絲法碳納米管纖維的溶液紡絲法借鑒于傳
5、統(tǒng)紡絲工藝，以形成碳納米管的穩(wěn)定分散液為基礎(chǔ)和關(guān)鍵。2000年法國(guó)波爾多第一大學(xué)Poulin教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組首先將0.35%的單壁碳納米管(SWCNTs)分散在1.0%的SDS(十二烷基硫酸鈉)中,以一定的注射速度注入聚乙烯醇(PVA)溶液屮，發(fā)現(xiàn)可以連續(xù)抽岀碳納米管絲帶。將此絲帶洗滌、干燥處理后，得到了楊氏模量為9-15GPa＞拉伸強(qiáng)度在150MPa左右且柔性很高的纖維。Poulin等將成纖的原理歸因于碳納米管在進(jìn)入PVA溶液中時(shí)PVA對(duì)SDS的置換作用，認(rèn)為成纖的關(guān)鍵在于合適的SDS濃度以獲得分散良好的碳納米管。此后，P
6、oulin等通過(guò)纖維溶脹后拉伸160%、熱拉伸等處理手段進(jìn)一步對(duì)碳納米管纖維的物性尤其是力學(xué)性能進(jìn)行改進(jìn)，發(fā)現(xiàn)碳納米管纖維的強(qiáng)度可以大幅度提高至1.6GPaoX射線衍射研究表明，纖維中碳納米管取向良好。2003年美國(guó)Texas大學(xué)的Dalton等在Poulin研究工作的基礎(chǔ)上進(jìn)一步使前述制備的碳納米管纖維通過(guò)丙酮蒸氣以使之集聚致密化，發(fā)現(xiàn)纖維強(qiáng)度可以大幅度提高至1.8GPa,斷裂吸收能量高達(dá)570J/g,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)蜘蛛絲(165J/g)和Kevlar纖維(33J/g)的斷裂吸收能，展示了碳納米管在高韌性纖維領(lǐng)域如防彈衣等方面的巨
7、大應(yīng)用潛力。其共同特點(diǎn)是使用聚合物溶液作為凝固浴，因而在所制備的纖維中摻入了高比例(40%左右)的聚合物。要想得到真正意義上的碳納米管纖維，發(fā)揮碳納米管自身的良好物性(如電學(xué)、熱學(xué)特性)還必須除去這些雜質(zhì)，増加后處理工序。為了制備出不含聚合物的碳納米管纖維，Steinmetz將SDS分散的單壁碳納米管溶液注入乙醇、甘油等小分子溶劑中，用硝酸鋁鹽作為凝固劑，制得了毫米級(jí)的棒狀絲帶。這些初生絲帶強(qiáng)度弱、模量小(2GPa)、脆性高、且電阻率大，達(dá)到150mQ/cm。偏振拉曼光譜研究表明，絲帶中碳納米管取向性差是其導(dǎo)屯性不好的主要原因
8、。他們還發(fā)現(xiàn)這種絲帶在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)呈半導(dǎo)體性質(zhì)，且導(dǎo)電性隨著吸附上的分子不同而改變。因此，其可能在化學(xué)傳感方面有重要的潛在應(yīng)用。在表面活性劑中分散良好的碳納米管，當(dāng)改變pH值時(shí)，會(huì)從其分散體系中II舜間凝聚析出。Kozlov等利用該現(xiàn)彖，將LDS(十二烷基苯堿酸鋰)/水溶液
