碳納米管復(fù)合材料研究現(xiàn)況-王瀚

1、碳納米管復(fù)合材料的研究概況碳納米管復(fù)合材料的研究概況王瀚王瀚（21426009）摘要摘要碳納米管是一種一維納米材料，具有許多異常的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。近些年隨著碳納米管及納米材料研究的深入其廣闊的應(yīng)用前景也不斷地展現(xiàn)出來。因?yàn)樘技{米管的天然特質(zhì)，使它成為了納米材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。本文系統(tǒng)介紹了納米碳管的制備方法，綜述了國內(nèi)外納米碳管復(fù)合材料的研究進(jìn)展，闡述了碳納米管復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域，并指出了碳納米管復(fù)合材料存在的問題及今后應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步

2、開展的若干工作。0前言前言碳納米管又名巴基管是一種具有特殊結(jié)構(gòu)（徑向尺寸為納米量級(jí)軸向尺寸為微米量級(jí)管子兩端基本上都封口）的一維量子材料。碳納米管(CNTs)是在一定條件下由大量碳原子聚集在一起形成的同軸空心管狀的納米級(jí)材料，它的徑向尺寸為納米數(shù)量級(jí)，軸向尺寸為微米數(shù)量級(jí)，屬于碳同位素異構(gòu)體家族中的一個(gè)新成員，是理想的一維量子材料。納米技術(shù)是21世紀(jì)的前沿科學(xué)技術(shù)，碳納米管技術(shù)則是該領(lǐng)域中一個(gè)強(qiáng)有力的生長點(diǎn)。碳納米管問世十三年來，日益引

3、起了人們極大的興趣，其獨(dú)特的性能正在被認(rèn)識(shí)并加以利用，如何降低成本，大量生產(chǎn)有特定結(jié)構(gòu)的碳納米管是人們的努力方向，含碳納米管的聚合物復(fù)合材料蘊(yùn)含著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?碳納米管的制備技術(shù)碳納米管的制備技術(shù)碳納米管是碳異構(gòu)體家族中的一個(gè)新成員它可以被看成是由層狀結(jié)構(gòu)的石墨片卷成的納米尺寸的空心管。碳納米管按層數(shù)可分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。另外按定向性分類碳納米管可分為定向性碳納米管和非定向性碳納米管。由于碳納米管的直徑一般在幾十納米以下

4、而長度則在幾百微米或更長。如此高的長徑比使碳納米管在生長過程中會(huì)自然發(fā)生彎曲且相互纏繞。而控制碳納米管的合成過程使其按照一定方向或模式有規(guī)律生長便可得到定向碳納米管。單壁碳納米管的制備主要有電弧法、化學(xué)氣象沉積法和激光蒸發(fā)法。電弧法是制備富勒碳的常用方法也是制備單壁碳納米管的傳統(tǒng)方法。在真空室中充入一定量的惰性氣體用填充有鐵或鈷作為催化劑的較細(xì)的石墨棒作為陽極而較粗的石墨棒作為陰極。通過石墨電弧法進(jìn)行反應(yīng)在容器內(nèi)壁上得到富含單壁碳納米管

5、的碳灰經(jīng)提純可以得到單壁碳納米管?；瘜W(xué)氣相沉積法是在制備碳纖維的基礎(chǔ)上制備單壁碳納米管的。在制備中常采用浮動(dòng)裂解法在1100～1200℃的溫度范圍內(nèi)以二茂鐵為催化劑通過其引入量來控制催化劑顆粒的大小和碳?xì)浔纫员綖樘荚刺砑舆m量的噻吩可以制得碳納米管。激光蒸發(fā)法是在高溫電阻爐中由激光束蒸發(fā)石墨靶采用鈷及硫或Al2O3載Mo或La等催化劑反應(yīng)得到繩索狀的直徑均勻的單壁碳納米管又稱為激光燒蝕法。多壁碳納米管的制備方法包括石墨電弧法、激光蒸發(fā)法、

6、化學(xué)氣相沉積法、熱解聚合法、火焰法、電解法、金屬材料原位合成法、太陽能法、離子輻射法等。石墨電弧法是最早用于制備多壁碳納米管的方法在真空室中充入惰性氣體或氫氣采用粗大石墨棒為陰極細(xì)石墨棒為陽極在電弧放電過程中陽極石墨棒不斷被消耗同時(shí)在陰極上沉積出含多壁碳納米管的產(chǎn)物。把陰極改為可以冷積儲(chǔ)氫容量、儲(chǔ)放氫機(jī)理等等需要進(jìn)行深入細(xì)致的研究目前國內(nèi)外的科學(xué)家們也正在紛紛為之努力。碳納米管在催化劑方面的應(yīng)用，由于近幾年來碳納米管管壁的官能化的進(jìn)展加

7、上其優(yōu)良的電子傳導(dǎo)性、對(duì)反應(yīng)物種和反應(yīng)產(chǎn)物的特殊吸附及脫附性能、特殊的孔腔空間立體選擇性、碳與金屬催化劑的金屬載體強(qiáng)相互作用以及碳納米管由于量子效應(yīng)而導(dǎo)致的特異性催化和光催化性質(zhì)、強(qiáng)的氧化性和還原性等使人們對(duì)碳納米管在催化化學(xué)中的應(yīng)用產(chǎn)生了極大的興趣。因碳納米管特有的電子、孔腔結(jié)構(gòu)和吸附性能等碳納米管在催化方面主要是當(dāng)載體來使用。碳納米管對(duì)聚合物材料的改性應(yīng)用，目前碳納米管聚合物復(fù)合材料的研究重點(diǎn)是如何利用碳納米管的優(yōu)良特性達(dá)到材料的增

8、強(qiáng)，或?qū)崿F(xiàn)提高材料的導(dǎo)電性、電磁屏蔽性和光電子發(fā)射性能等目的。用碳納米管制備復(fù)合材料的最大優(yōu)點(diǎn)是易于加工成型。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)碳納米管比碳纖維硬且脆性低，用多壁碳納米管與聚合物制成的復(fù)合材料其斷裂前的變形率較碳纖維的同類制品大。高模量和高彈性應(yīng)變使碳納米管有資格成為復(fù)合材料潛在的增強(qiáng)劑。在由松散結(jié)合的納米管做成的復(fù)合材料中，一根纖維的失效幾乎不導(dǎo)致相鄰納米管的過載，因此能將載荷有效地傳遞到納米管上實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的目的。3制備碳納米管復(fù)合材料中存在的問

9、題制備碳納米管復(fù)合材料中存在的問題雖然碳納米管在制備質(zhì)輕、高強(qiáng)度復(fù)合材料中有潛在的應(yīng)用前景，但要將其真正變成實(shí)現(xiàn)，還有許多問題需要解決。碳納米管的分散和界面結(jié)合力問題，碳納米管的表面能較高，容易發(fā)生團(tuán)聚，使它在聚合物中難以實(shí)現(xiàn)均勻分散。碳納米管要作為增強(qiáng)材料必須要與聚合物骨架緊密結(jié)合這樣才能使應(yīng)力有效地轉(zhuǎn)移到碳納米管上。如何均勻分散碳納米管并增強(qiáng)碳納米管和基體材料界面間的結(jié)合作用，在現(xiàn)在和將來都是很重要的研究課題。通過改性可使碳納米管在

10、聚合物中均勻分散，并增強(qiáng)其與聚合物的結(jié)合力。常見的改性方法有兩種，一種為化學(xué)改性，即利用化學(xué)試劑處理碳納米管引入某些特定的官能團(tuán)或通過高能量放電、紫外線等方法在碳納米管表面引入某種官能團(tuán)的方法。Liu等通過酸化處理在碳納米管上成功地引入了羧基和羥基；Dai等通過磺化反應(yīng)將磺酸基引入了碳納米管；有人將碳納米管用等離子射線處理后引入了多糖鏈；GongX.等發(fā)現(xiàn)表面活性劑能很好地促進(jìn)碳納米管的分散。另一種方法就是物理改性，即運(yùn)用機(jī)械應(yīng)力激活碳

11、納米管表面以達(dá)到改性的目的，主要是通過粉碎、摩擦、超聲分散等手段實(shí)現(xiàn)的。例如J.Sler通過超聲手段制備了環(huán)氧樹脂碳納米管復(fù)合材料。碳納米管和聚合物晶格間的相互作用對(duì)于碳納米管聚合物復(fù)合材料的機(jī)械性能有重要影響許多人對(duì)界面間的應(yīng)力傳遞作了研究。LdiV.等發(fā)現(xiàn)聚合物的構(gòu)象對(duì)于界面強(qiáng)度有重要影響，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)雙壁碳納米管層間摩擦比納米管和聚合物基體間的摩擦低得多，說明復(fù)合物中多壁碳納米管的層間或單壁碳納米管束之間存在滑移。Cooper等用