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《納米管纖維及其復合材料的制備-結構-性能關系研究》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內容在工程資料-天天文庫。
1、400050019050先進復合材料碳納米管纖維及其復合材料的制備■結構■性能關系研究姓名:馮林兆學號:DY100110720年5月碳納米管纖維及其復合材料的制備?結構?性能關系研究DY1001107馮林兆摘要：本文介紹了碳納米管纖維的結構，性能以及用溶液紡絲法、陣列抽絲技術和浮動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合材料，以及復合材料的性能。關鍵詞：碳納米管纖維納米復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，碳納米管就迅速成為物理、化學和材
2、料學等領域熱點之一，它不僅具有獨特的一維管狀納米結構，同時也是迄今為止發(fā)現(xiàn)的唯一同時具備超高機械力學性能、熱性能和電性能的超級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)的設想。白1994年Ajayan等將CNTs作為無機填料加入到聚合物基體中制備聚合物/碳納米管復合材料以來，人們開展了大量研究工作，試圖通過納米復合技術，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合材料。由于CNTs的直徑通常小于lOOnm,因此當CNTs被充分解纏繞并均
3、勻分散時得到的其實就是納米復合材料。以碳納米管纖維為增強體制備的復合材料可望在航空航天、反彈裝備、體育器械等領域有著巨大的應用潛力。1碳納米管纖維的結構CNTs是一種新型的碳結構，可以形彖地認為是由碳六邊形的石墨片按一定的螺旋度卷曲而成的無縫納米級管狀結構。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),其結構如圖1所示。CNTs的直徑通常在零點幾至一百納米，長度可達厘米級，因此具有極大的長徑比。每層納米管是一個由碳原子主要通過SP?雜化與周圍3個碳原子完全鍵合后所構成的六角形
4、網(wǎng)格結構組成的圓柱而，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由液相紡絲而成。然而碳納米管由于其管壁內強大的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)，故熔融紡絲技術不適用于CNT-Fso當前已經發(fā)展的碳納米管纖維成型技術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)定分散液為基礎和關鍵。2000年法國波爾多第一大學Poulin教授領導的研究小組首先將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入PVA溶液中時PVA對SDS的置換作用，認為成纖的關鍵在于合適的SDS濃度以獲得分散良好的碳納米管。此后，P
6、oulin等通過纖維溶脹后拉伸160%、熱拉伸等處理手段進一步對碳納米管纖維的物性尤其是力學性能進行改進，發(fā)現(xiàn)碳納米管纖維的強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Texas大學的Dalton等在Poulin研究工作的基礎上進一步使前述制備的碳納米管纖維通過丙酮蒸氣以使之集聚致密化，發(fā)現(xiàn)纖維強度可以大幅度提高至1.8GPa,斷裂吸收能量高達570J/g,遠遠超過蜘蛛絲(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域如防彈衣等方面的巨
7、大應用潛力。其共同特點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、熱學特性)還必須除去這些雜質，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，制得了毫米級的棒狀絲帶。這些初生絲帶強度弱、模量小(2GPa)、脆性高、且電阻率大，達到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屯性不好的主要原因
8、。他們還發(fā)現(xiàn)這種絲帶在實驗溫度范圍內呈半導體性質，且導電性隨著吸附上的分子不同而改變。因此，其可能在化學傳感方面有重要的潛在應用。在表面活性劑中分散良好的碳納米管，當改變pH值時，會從其分散體系中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
