碳納米管纖維的組裝結(jié)構(gòu)調(diào)控及其力學(xué)性能研究.pdf

1、碳納米管纖維是碳納米管的一維有序組裝結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了碳納米管從微觀到宏觀的有效轉(zhuǎn)化。碳納米管具有優(yōu)異的力學(xué)和電學(xué)性能，而在組裝成纖維后這些性能并沒有得到良好的轉(zhuǎn)化，因此，研究人員一直在尋找可以提高碳納米管纖維力學(xué)和電學(xué)性能的有效方法。碳納米管纖維復(fù)合材料是碳納米管纖維未來應(yīng)用的主要方向之一，在結(jié)構(gòu)材料和功能材料方面都有重要的潛在應(yīng)用，因此研究碳納米管纖維的動態(tài)力學(xué)性能及纖維與樹脂的界面性能也非常有意義。本文以碳納米管纖維為基礎(chǔ)材料，重點圍繞

2、其力學(xué)性能展開了一系列研究，首先采用低功率超聲振動、酸堿氧化、高溫碳化、石墨化的后處理方式對有捻的碳納米管纖維進行了后處理，然后針對碳納米管特有的組裝性能，對其宏觀一維組裝結(jié)構(gòu)進行了取向化結(jié)構(gòu)設(shè)計，進而研究了碳納米管纖維與樹脂的界面結(jié)合性能，不同組裝結(jié)構(gòu)的碳納米管纖維的動態(tài)力學(xué)性能，并初步研究了碳納米管纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能。本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：
　　1）后處理對碳納米管纖維力學(xué)和電學(xué)性能的影響。采用低功率超聲振動、酸堿

3、氧化、高溫碳化、石墨化等方式，對有捻的碳納米管纖維進行后處理，可以在一定程度上提高纖維的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)性能。低功率超聲可以促使小分子進入碳納米管纖維內(nèi)部形成更好的結(jié)合，將尺寸在1 nm左右的含有一個苯環(huán)的小分子通過超聲方式與碳納米管纖維結(jié)合可以提高纖維的力學(xué)性能；將尺寸為0.3-0.5 nm左右的氯金酸和氯鉑酸與碳納米管纖維結(jié)合，可以在維持纖維力學(xué)性能的同時，提高其電學(xué)性能；氧化處理對纖維的形貌和結(jié)構(gòu)均有較大影響，酸氧化效果較好，堿處

4、理容易對纖維造成破壞，酸氧化對纖維的影響主要表現(xiàn)在降低纖維空隙、提高管間結(jié)合程度、增加表面官能團等三個方面，這三個方面直接影響到纖維的力學(xué)和電學(xué)性能，王水處理后纖維的導(dǎo)電性最好，硝酸處理后纖維的力學(xué)性能最好；高溫碳化和石墨化可以大大提高纖維的石墨化程度，尤其在2500 ℃處理后纖維的G/D比達到22.1，高溫處理后纖維的力學(xué)性能有所上升，同時也表現(xiàn)出較明顯的不均勻性，由于石墨化容易破壞碳管間無定型碳的原位連接，影響到電子傳輸，纖維的電學(xué)

5、性能下降，同時熱分解溫度提高和熱分解速率下降。
　　2）碳納米管纖維的取向化結(jié)構(gòu)設(shè)計及力學(xué)性能研究。通過凹槽型集束和拉絲模集束的方式可以得到碳納米管的取向化結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)碳納米管沿纖維軸向的取向排列；纖維截面形狀和密度由集束口形狀和尺寸決定，取向結(jié)構(gòu)的扁絲和無捻纖維力學(xué)性能優(yōu)于有捻纖維，由于在成型時已經(jīng)達到較高的密度，溶劑和集束壓力角對扁絲和無捻纖維的進一步致密化效果不明顯；將取向化的碳管與UHMWPE纖維復(fù)合，再經(jīng)過熱牽伸處理，得到

6、的纖維力學(xué)性能優(yōu)于UHMWPE纖維自身的力學(xué)性能，同時還賦予纖維一定的導(dǎo)電性。
　　3）碳納米管纖維的動態(tài)力學(xué)性能研究。根據(jù)碳納米管的特殊結(jié)構(gòu)在原有Kelvin彈簧和黏壺理論的基礎(chǔ)上，引入了滑動摩擦?，并在此模型的基礎(chǔ)上進行了公式擬合，經(jīng)過數(shù)據(jù)換算得到了適用于碳納米管纖維損耗因子的計算公式，并通過實驗數(shù)據(jù)對其進行了初步驗證；設(shè)計了具有不同結(jié)構(gòu)的碳納米管纖維，通過調(diào)整加捻程度、碳管的網(wǎng)絡(luò)程度、設(shè)計復(fù)合結(jié)構(gòu)等方式得到了具有不同損耗因子

7、的碳納米管纖維，也就是說通過結(jié)構(gòu)控制可以實現(xiàn)對損耗因子的調(diào)控；碳納米管纖維束隨著并股根數(shù)的增加，損耗因子呈上升趨勢，與碳纖維、棉紗、尼龍絲等纖維相比，體現(xiàn)出比較明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。
　　4）碳納米管纖維與樹脂的界面結(jié)合特性研究。以提高纖維與樹脂之間的界面剪切強度(IFSS)為出發(fā)點，采用微滴包埋的方法對碳納米管纖維和環(huán)氧樹脂的界面性能進行了研究。通過改變纖維表面結(jié)構(gòu)、表面粗糙度、提高樹脂對纖維的浸潤性以及在纖維與樹脂之間引入中間層和“

8、分子橋”的方法，使碳納米管纖維與樹脂間的界面剪切強度得到了逐步提高；在纖維表面用硅烷偶聯(lián)劑做“分子橋”，既能與碳納米管纖維形成良好結(jié)合，又能與樹脂形成共價結(jié)合，使兩者的界面剪切強度從原本的45.4 MPa提高到64.4 MPa；進一步將提高界面剪切強度的方法應(yīng)用于多股纖維，發(fā)現(xiàn)隨著并股數(shù)量的增加，有捻單根纖維的平均承載能力有下降趨勢，并合到100股時可以維持60％左右，而100根扁絲的并股后，單根纖維的承載能力基本可以維持單根纖維的承載

9、能力，甚至還有所提高，更進一步體現(xiàn)了扁絲的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。
　　5）碳納米管纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能研究。碳納米管纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)中扁絲的扁平結(jié)構(gòu)更有利于碳納米管與樹脂之間的結(jié)合，與有捻圓形纖維相比，扁絲/環(huán)氧復(fù)合結(jié)構(gòu)中扁絲之間的相互作用更明顯，除了相鄰層間作用外，還有部分扁絲在多個層間進行穿插，使復(fù)合結(jié)構(gòu)的層間作用得到增強；熱壓處理有利于進一步提高扁絲之間以及扁絲/樹脂之間的相互作用，扁絲/樹脂復(fù)合結(jié)構(gòu)經(jīng)過熱壓處理后，表面平整光滑，