碳纳米管填充聚合物复合材料的介电性能研究
王岚1，党智敏1,2*
1. 北京化工大学教育部纳米材料重点实验室北京 100029
2. 北京化工大学北京市新型高分子材料制备与工艺重点实验室北京 100029
摘要：本文研究了未经处理的多壁碳纳米管/聚偏氟乙烯(MWNT/PVDF)复合材料体系的介电性能。发现，在低频下，复合材料的介电常数随MWNT的含量增加而迅速增加，当体积分数为2.0 %时，介电常数高达300左右，并且复合材料的渗流阈值仅为1.61 vol%。MWNT较大的长径比和较高的电导率导致复合体系渗流阈值较低。发生渗流效应时，复合材料的介电损耗低于0.4，与频率无关。因此，可以认为未经过化学处理的碳纳米管可以大幅度改善PVDF基复合材料的介电性能。
关键词：碳纳米管；聚偏氟乙烯；介电性能；复合材料
中图分类号：TM2 文献标识码：A
1 前言
近几年来，具有良好的压电和热电效应的柔性聚合物材料受到关注，例如聚偏氟乙烯[poly(vinylidene fluoride)，简称PVDF], 聚偏氟乙烯－三氟乙烯共聚物poly[(vinylidene fluoride) -co- trifluoroethylene，简称P(VDF-TrFE)]和聚偏氟乙烯－三氟乙烯－氯代偏氟乙烯三元共聚物[poly(vinylidene fluoride -trifluoroethylene -chlorofluoroethylene)，简称P(VDF-TrFE-CFE)]等，这类材料具有广泛的技术应用前景[1-5]。但是，在很多功能材料领域（例如高储能电容器，电致伸缩人工肌肉和药物释放智能外衣等），要求聚合物具有高的介电常数[1,2]。通常，提高聚合物介电常数的方法主要是,将高介电常数的陶瓷粉末利用特殊的复合工艺添加到聚合物基体中形成0-3型复合材料[6]。然而,由于固有材料以及相关的提高介电常数的机理限制,致使高介电常数的复合材料需要高含量的陶瓷填充，这极大的影响了聚合物基复合材料的柔韧性。因此，填充有机粒子的高介电复合材料受到关注，但是需要填加大量的有机填料。相关文献报道[1,3,7]，聚合物基复合体系的介电性能依赖于组成材料的物理性质、复合材料的制备工艺、填料与聚合物间的表面与界面相互作用以及介电常数增加的机理等，特别是填料的形状和尺寸会大大影响复合材料的介电性能。
本文研究了未经过处理的多壁碳纳米管/聚偏氟乙烯（MWNT/PVDF）复合材料体系，发现填充低含量的MWNT，聚合物基复合材料可以获得高的介电常数。碳纳米管具有电导率高、且具有较大的长径比和特殊的物理性质，尤其是电性能和机械性能，因此近年来受到科技界的高度重视。已有研究结果表明导电粒子可以大幅度提高复合材料的介电常数[4,5,8-12]。而且发现未处理的碳纳米管在阈值时，可以改善复合材料热导率。因此，我们选用未经任何修饰的多壁碳纳米管作为填料，探索MWNT/PVDF复合材料的介电性能。MWNT/PVDF 复合材料通过简单的物理混合以及随后的热压工艺获得。通过改变复合材料中MWNT的含量，使之趋近于复合体系的渗流阈值。
2 复合材料制备及试验方法
未经过处理的MWNT在有机溶剂（例如DMF）中超声分散2 h，然后与PVDF的DMF溶液混合，继续超声10 min，然后在60 ℃下烘干8 h去除溶剂。复合材料在200 ℃、15 MPa下热压得到厚约1 mm，直径约12 mm的样品，涂覆银浆后进行介电性能测试。室温下，通过HP 4194A阻抗分析仪测试样品在100 Hz－40 MHz 频率范围内的交流介电性能。通过透射电镜（日立，H-800）观察复合材料的横切面形貌。
3 实验结果与讨论
图1a是MWNT/PVDF复合材料的交流电导率随体积分数的变化。发现当体积分数达到0.016－0.02时，
复合材料发生绝缘相向导电相的转变， 即发生渗流现象，该转变可以通过式(1)的关系式进行描述:
,)('eff s MWNT c PVDF f f ??∝σσ 当
(1)
c MWNT f f ≤, 当 (2)
c MWNT f f ≤
图式中，PVDF σ为PVDF 绝缘体的电导率，为MWNT 填料的体积分数，为渗流阈值，为绝缘区域的临界因子。根据式(1)通过拟合得到MWNT f 0161.0≈c f 's ,c f 849.0'=s ，如图1a 中的插图所示。对于添加微米尺寸的球()s MWNT c PVDF eff f f ??∝εε式中为介电常数的临界因子。当体积分数低于时，s 与电导率的临界因子符合同样的规律，即s c f 1'≈=s s 。显然，MWNT/PVDF 连续相体系与通用的渗流理论一致。如图2a 所示，实验数据与式(2)所得结果一致，
，s (见图2a 的插图)。与金属粉末填充的PVDF 基复合材料相比[4,8]，MWNT 较大的长径
0161.c =f 0308.0=
比对复合体系低的渗流阈值起很大的作用。随着MWNT 含量的增加，复合材料形成微电容网络结构，导致介电常数提高。如图2b 所示，室温100 Hz 下，渗流阈值时，材料的介电损耗高达0.8。这是因为对于填充导电填料的复合材料，在渗流阈值附近时，由于电流漏导等因素使材料的介电损耗会大幅度提高[2,4,10]。MWNT/PVDF 复合材料的介电损耗随MWNT 含量的增加而增加，正是因为MWNT 较高的电导率。在高频下，复合材料的介电损耗一般低于0.4。这种高介电常数高损耗的材料可以应用于一些特殊领域，例如特殊波段的电磁波吸收材料以及各种形状的高储能电容器等。
图图.
材料的介电常数随频率变化不大，但是当MWNT 含量接近渗流阈值时，介电常数随频率增加迅速降低(见图3a)。而有效电导率随频率的增加而增加(见图3b)。根据渗流理论，在时，有如下关系式[2,4,10]：
c f f MWNT →u f ωωσ∝),(c eff ， (3a) ()1c eff ,?∝u f ωωε， (3b)
式中，v πω
2=，u 为临界因子。当复合材料体积分数016.0=MWNT f 时，805.0=u (见图3b 插图)。当复合材
料体积分数接近渗流阈值时，，实验所得数据，电导率对频率的双对数坐标图接近一条直线(见图3b 插图)。当MWNT 超过渗流阈值时，复合材料发生绝缘体向导体的转变。
016.0≈MWNT f 4 结论
本文研究了未处理的MWNT/PVDF 复合材料体系的介电性能与频率及填料体积分数的关系。发现低频下，当MWNT 体积分数仅为1.6 %时复合材料的介电常数迅速增加，当体积分数高于1.6 %时，介电损耗也迅速增加。MWNT/PVDF 复合材料的低渗流阈值与填料较大的长径比和较高的电导率有关。对于渗流材料，介电损耗低于0.4与频率无关。因此，认为未经过化学处理的碳纳米管可以改善PVDF 基复合材料的介电性能。
参考文献
[1] Q. M. Zhang, H. F. Li, M. Poh, H. S. Xu, Z.-Y . Cheng, F. Xia, and C. Huang, Nature 419, 284 (2002). [2] Z. M. Dang, C. W. Nan, D. Xie, Y . H. Zhang, and S. C. Tjong, Appl. Phys. Lett. 85, 97 (2004). [3] J. Y . Li, Phys. Rev. Lett. 90, 217601-1 (2003).
[4] Z. M. Dang, Y . H. Lin, and C. W. Nan, Adv. Mater. 15, 1625 (2003).
[5] Nicole Levi, Richard Czerw, Shuya Xing, Preethi Iyer, and David L. Carroll. Nano Lett. 4, 1267, (2004) [6] Y . Bai, Z. Y . Cheng, V . Bharti, H.A. Xu, and Q. M. Zhang, Appl. Phys. Lett. 76, 3804 (2000). [7] C. Huang, Q. M. Zhang, and J. Su. Appl. Phys. Lett. 82, 3502 (2003). [8] Z. M. Dang, Y . H. Zhang, and S. C. Tjong, Synthetic metals, 146, 79 (2004). [9] Z. X. Jin, L. Huang, S. H. Goh, G . Q. Xu, W. Ji, Chem. Phys. Lett. 352, 328 (2002). [10] C. W. Nan, Prog. Mater. Sci. 37, 1 (1993).
[11] A. Nogales, G . Broza, Z. Roslaniec, K. Schulte, I. Sics, B. S. Hsiao, A. Sanz, M. C. Garc ?a-Gutierrez, D. R. Rueda, C. Domingo,
and T. A. Ezquerra. Macromolecules, 37, 7669 (2004).
[12] B. E. Kilbride and J. N. Coleman, J. Fraysse, P. Fournet, M. Cadek, A. Drury, and S. Hutzler, S. Roth, W. J. Blau. Appl. Phy. Lett.
92, 4024 (2002).
Study on dielectric property of carbon nanotube/polymer composite
Lan Wang 1， Zhi-Min Dang 1,2 ?
1 Key Laboratory of the Ministry of Education on Nanomaterials, Beijing University of Chemical Technology, Beijing
100029, People’s Republic of China
2 Key Laboratory of Beijing City for Preparation and Processing of Novel Polymer Materials, Beijing University of
Chemical Technology, Beijing 100029, People’s Republic of China
Abstract: Dielectric properties of the untreated multi-wall carbon-nanotubes/poly(vinylidene fluoride) (MWNT/PVDF) composites are studied. Towards low frequencies, the dielectric constant of a composite with about 2.0 vol% of MWNT increases rapidly and the value of the dielectric constant is as high as 300. However, by a calculation, the percolation threshold of the MWNT/PVDF composites is only 1.61 vol% (0.0161 volume fraction) of MWNT. Both the large aspect ratio and the high conductivity of the MWNT may lead to the low percolation threshold of the MWNT/PVDF composites. For the percolation composite, the dielectric loss value is always less than 0.4, irrespective of the frequency. Therefore, the experimental results suggest that the dielectric properties of MWNT/PVDF composites may be improved significantly without the chemical functionalization to carbon nanotubes.
?
Corresponding author ：Zhi-Min Dang, male, born 1969, Professor, College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing, 100029
Tel: 010-6445 2126, e-mail: dangzm@https://www.doczj.com/doc/463525393.html,, Research Field: Polymer-based functional dielectric materials and device
Keywords：Carbon nanotube; Poly(vinylidene fluoride); Dielectric property；composite
基金项目:河南省教育厅自然科学基金项目(200510459101); 作者简介:李中原(1971-),男,博士研究生; 3通讯联系人:E 2mail :zhucs @https://www.doczj.com/doc/463525393.html,. 尼龙Π碳纳米管复合材料研究进展 李中原,刘文涛,许书珍,何素芹3,朱诚身3 (郑州大学材料科学与工程学院 郑州 450052) 摘要:碳纳米管(C NTs )由于其独特的结构,较高的长径比,较大的比表面积,且具有超强的力学性能和良好 的导热性,已经证明是塑料的非常优异的导电填料,聚合物基碳纳米管复合材料可望应用于材料领域的多个方面,尤其在汽车、飞机及其它飞行器的制造等军事和商业应用上带来革命性的突破。本文介绍了碳纳米管的结构形态和碳纳米管的制备、纯化、修饰方法及聚合物基碳纳米管复合材料的制备、性能,并综述了近几年来尼龙Π碳纳米管复合材料的研究进展及应用前景。 关键词:碳纳米管;尼龙;复合材料 引言 聚酰胺具有优良的机械性能、耐磨性、耐酸碱性、自润滑性等优点,居于五大工程塑料之首,被广泛用作注射及挤出成型材料,主要用于在机械、仪器仪表、汽车、纺织等方面,并将在轴承、齿轮、风扇叶片、汽车部件、医疗器材、油管、油箱、电子电器制品的制造方面发挥重要作用,尤其是作为汽车零部件及电器元件。由于酰胺极性基团存在极易吸水、尺寸稳定性差等缺点,使其应用受到了很大限制[1]。纳米复合材料是近年来发展十分迅速的一种新兴复合材料,被认为是21世纪最有发展前途的材料,已成为材料学、物理学、化学、现代仪器学等多学科领域研究的热点。热塑性塑料基纳米复合材料是研究最早、最多、应用最广的材料,聚合物Π蒙脱土纳米复合材料目前有的已实现了产业化[2]。碳纳米管由于其独特的结构、 奇异的性能和潜在的应用价值,在理论上是复合材料理想的增强材料。近年来聚合物Π碳纳米管复合材料的研究已成为纳米科学研究中的一个新热点。碳纳米管的发现可以追溯到1985年C 60 [3]的发现,1991年日本学者Iijima [4]在对电弧放电后的石墨棒进行显微观察时发现阳极上形成了圆柱状沉积,沉积主要 由柱状排列的平行的中空管状物形成,管状物的直径一般在几个到几十个纳米之间,而管壁厚度仅为几个纳米,故称之为碳纳米管C NTs (carbon nanotubes ),并在自然杂志上发表。碳纳米管具有超级的力学性能[5],在碳纳米管中,碳原子之间存在着三种基本的原子力包括:强的δ键合,C C 键之间的π键合以及多壁碳纳米管层与层之间的相互作用力,它们对碳纳米管的力学性能有着重要的贡献,理论和实验结果显示碳纳米管具有相当高的弹性模量,可达1TPa ,强度是钢的10～100倍,多壁碳纳米管MWC NTs (multiwalled carbon nanotubes )的轴向杨氏模量实验值为200G ～4000G Pa ,轴向弯曲强度为14G Pa ,轴向压缩强度为100G Pa ,并且具有超高的韧性,理论最大延伸率可达20%,密度却只有钢的六分之一。它耐强酸、强碱、耐热冲击、有优异的热,电性能;高温强度高、有生物相容性和自润滑性。在真空中2800℃以下不氧化,在空气中700℃以下基本不氧化,热传导是金刚石的两倍,导电性和铜一样。本文将从碳纳米管的纯化与修饰,尼龙Π碳纳米管复合材料的制备方法及其性能特征三方面对尼龙Π碳纳米管复合材料的研究进展进行总结。
碳纳米管简介 潘春旭 ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 武汉大学 物理科学与技术学院 地址：430072湖北省 武汉市 武昌区 珞珈山 电话：027-8768-2093(H)；8721-4880(O) 传真：027-8765-4569 E-Mail: cxpan@https://www.doczj.com/doc/463525393.html,；cxpan@https://www.doczj.com/doc/463525393.html, 个人网页：https://www.doczj.com/doc/463525393.html,/cxpan ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 1. 什么是碳纳米管？ 1991年日本NEC公司的饭岛纯雄(Sumio Iijima)首次利用电子显微镜观察到中空的碳纤维，直径一般在几纳米到几十个纳米之间，长度为数微米，甚至毫米，称为“碳纳米管”。理论分析和实验观察认为它是一种由六角网状的石墨烯片卷成的具有螺旋周期管状结构。正是由于饭岛的发现才真正引发了碳纳米管研究的热潮和近十年来碳纳米管科学和技术的飞速发展。 按照石墨烯片的层数，可分为： 1) 单壁碳纳米管（Single-walled nanotubes, SWNTs）：由一层石墨烯片组成。单壁管典型的直 径和长度分别为0.75～3nm和1～50μm。又称富勒管(Fullerenes tubes)。 2) 多壁碳纳米管（Multi-walled nanotubes, MWNTs）：含有多层石墨烯片。形状象个同轴电缆。 其层数从2～50不等，层间距为0.34±0.01nm，与石墨层间距(0.34nm)相当。多壁管的典 型直径和长度分别为2～30nm和0.1～50μm。 多壁管在开始形成的时候，层与层之间很容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷，因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷。与多壁管相 比，单壁管是由单层圆柱型石墨层构成， 其直径大小的分布范围小，缺陷少，具有 更高的均匀一致性。无论是多壁管还是单 壁管都具有很高的长径比，一般为100～ 1000，最高可达1000～10000，完全可以 认为是一维分子图1 碳纳米管原子排列结构示意图 2. 碳纳米管的独特性质 1) 力学性能 碳纳米管的抗拉强度达到50～200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级。它是最强的纤维，在强度与重量之比方面，这种纤维是最理想的。如果用碳纳米管做成绳索，是迄今唯一可从月球挂到地球表面而不会被自身重量拉折的绳索，如果用它做成地球——月球载人电梯，人们来往月球和地球献方便了。用这种轻而柔软、结实的材料做防弹背心那就更加理想了。 除此以外，它的高弹性和弯曲刚性估计可以由超过兆兆帕的杨氏模量的热振幅测量证实。对于具有理想结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度约800GPa；对于多层壁，理论计算太复杂，难于给出一确定的值。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似，但其结构却比高分子材料稳定得多。
碳纳米管及其复合材料在储能电池中的应用 摘要碳纳米管具有良好的机械性能和导电性、高化学稳定性、大表面积以及独特的一维结构，选择合适的方法制备出碳纳米管复合材料，可以使其各种物理化学性能得到增强, 因而在很多领域有着极大的应用前景，尤其是在储能电池中的应用。本文分析了碳纳米管及其复合材料的特点，总结了碳纳米管的储锂机理，对其发展趋势作了展望。 关键词碳纳米管复合材料储能电池应用 Abstract carbon nanotubes（CNTs） are nanometer-sized carbon materials with the characteristics of unique one-dimensional geometric structure，large surface area，high electrical conductivity，elevated mechanical strength and strong chemical inertness. Selecting appropriate methods to prepare carbon nanotube composites can enhance physical and chemical properties , and these composites have a great future in many areas，especially in energy storage batteries . In this paper, based on the analysis and comparison of the advantages and disadvantages of carbon nanotube composites，the enhancement mechanisms of the CNTs catalysts are introduced. Afterward，the lithium ion storage properties are summarized according to the preparation methods of composite materials. Finally, the prospects and challenge for these composite materials are also discussed. Keywords carbon nanotube; composite; energy storage batteries; application 1 引言 碳纳米管(CNTs)在2004 年被人们发现，是一种具有特殊结构的一维量子材料, 它的径向尺寸可达到纳米级, 轴向尺寸为微米级, 管的两端一般都封口, 因此它有很大的强度, 同时巨大的长径比有望使其制作成韧性极好的碳纤维。碳纳米管由于其独特的一维纳米形貌被作为锂离子电池负极材料广泛研究，通过对碳纳米管进行剪切，官能化及掺杂等方法进行改性处理，能有效的减少碳纳米管的首次不可逆容量，增加可逆的储锂比容量。此外，碳纳米管的中空结构也成为抑制高容量金属及金属氧化物体积膨胀理想复合基体。本文中，我们研究了碳纳米管的储锂性能，考察了碳纳米管作为锡类复合材料基体，其内部限域空间对高容量金属及金属氧化物的储锂性能促进的具体原因。该研究结果为碳纳米管以及其他具有限域空间的结构在锂离子电池中的应用提供了参考。 2 碳纳米管的储锂机理和应用 相比广泛应用的石墨类材料，碳纳米管在锂离子电池负极材料中有其独特的应用优势。首先，碳纳米管的尺寸在纳米级，管内及间隙空间也都处于纳米尺寸级，因而具有纳米材料的小尺寸效应，能有效的增加锂离子在化学电源中的反应活性空间；其次，碳纳米管的比表面积较大，能增加锂离子的反应活性位，并且随着
聚合物/碳纳米管复合材料研究综述 摘要 综述了目前碳纳米管在填充聚合物来制备介电、导电、吸波、导热等复合材料方面的应用。对常见的几种聚合物/碳纳米管复合材料的制备工艺以及碳纳米管在聚合物中的分散方法进行了详细地阐述。最后对聚合物/碳纳米管在研究过程中存在的问题和未来的研究方向进行了相应地分析和展望。 关键词:碳纳米管; 逾渗理论; 复合材料; 制备工艺; 分散 Review of Research on Polymer /Carbon Nanotube Composite Abstract The current carbon nanotube-filled polymer compound to prepare the electricity，conductive，absorbing，thermal conductivity，and other aspects of application of composite materials are reviewed．Several common polymer / carbon nanotube composite preparation process as well as the dispersion of carbon nanotubes in polymer are elaborated．Finally，the polymer /carbon nanotube in the study process and future research is analyzed and prospected． Key words: carbon nanotubes; percolation theory; composite; preparation; dispersion
碳纳米管纳米复合材料的研究现状及问题(一) 文章介绍了碳纳米管的结构和性能，综述了碳纳米管/聚合物复合材料的制备方法及其聚合物结构复合材料和聚合物功能复合材料中的应用研究情况，在此基础上，分析了碳纳米管在复合材料制备过程中的纯化、分散、损伤和界面等问题，并展望了今后碳纳米管/聚合物复合材料的发展趋势。 。碳纳米管的这些特性使其在复合材料领域成为理想的填料。聚合物容易加工并可制造成结构复杂的构件，采用传统的加工方法即可将聚合物/碳纳米管复合材料加工及制造成结构复杂的构件，并且在加工过程中不会破坏碳纳米管的结构，从而降低生产成本。因此，聚合物/碳纳米管复合材料被广泛地研究。 根据不同的应用目的，聚合物/碳纳米管复合材料可相应地分为结构复合材料和功能复合材料两大类。近几年，人们已经制备了各种各样的聚合物/碳纳米管复合材料，并对所制备的复合材料的力学性能、电性能、热性能、光性能等其它各种性能进行了广泛地研究，对这些研究结果分析表明：聚合物/碳纳米管复合材料的性能取决于多种因素，如碳纳米管的类型(单壁碳纳米管或多壁碳纳米管)，形态和结构(直径、长度和手性)等。文章主要对聚合物/碳纳米管复合材料的研究现状进行综述，并对其所面临的挑战进行讨论。 1聚合物/碳纳米管复合材料的制备 聚合物/碳纳米管复合材料的制备方法主要有三种：液相共混、固相共融和原位聚合方法，其中以共混法较为普遍。 1.1溶液共混复合法 溶液法是利用机械搅拌、磁力搅拌或高能超声将团聚的碳纳米管剥离开来，均匀分散在聚合物溶液中，再将多余的溶剂除去后即可获得聚合物/碳纳米管复合材料。这种方法的优点是操作简单、方便快捷，主要用来制备膜材料。Xuetal8]和Lauetal.9]采用这种方法制备了CNT/环氧树脂复合材料，并报道了复合材料的性能。除了环氧树脂，其它聚合物(如聚苯乙烯、聚乙烯醇和聚氯乙烯等)也可采用这种方法制备复合材料。 1.2熔融共混复合法 熔融共混法是通过转子施加的剪切力将碳纳米管分散在聚合物熔体中。这种方法尤其适用于制备热塑性聚合物/碳纳米管复合材料。该方法的优点主要是可以避免溶剂或表面活性剂对复合材料的污染，复合物没有发现断裂和破损，但仅适用于耐高温、不易分解的聚合物中。Jinetal.10]采用这种方法制备了PMMA/MWNT复合材料，并研究其性能。结果表明碳纳米管均匀分散在聚合物基体中，没有明显的损坏。复合材料的储能模量显著提高。 1.3原位复合法 将碳纳米管分散在聚合物单体，加入引发剂，引发单体原位聚合生成高分子，得到聚合物/碳纳米管复合材料。这种方法被认为是提高碳纳米管分散及加强其与聚合物基体相互作用的最行之有效的方法。Jiaetal.11]采用原位聚合法制备了PMMA/SWNT复合材料。结果表明碳纳米管与聚合物基体间存在强烈代写论文的黏结作用。这主要是因为AIBN在引发过程中打开碳纳米管的π键使之参与到PMMA的聚合反应中。采用经表面修饰的碳纳米管制备PMMA/碳纳米管复合材料，不但可以提高碳纳米管在聚合物基体中的分散比例，复合材料的机械力学性能也可得到巨大的提高。 2聚合物/碳纳米管复合材料的研究现状 2.1聚合物/碳纳米管结构复合材料 碳纳米管因其超乎寻常的强度和刚度而被认为是制备新一代高性能结构复合材料的理想填料。近几年，科研人员针对聚合物/碳纳米管复合材料的机械力学性能展开了多方面的研究，其中，最令人印象深刻的是随着碳纳米管的加入，复合材料的弹性模量、抗张强度及断裂韧性的提高。
碳纳米管纳米复合材料的分析现状及问题 [摘要]文章介绍了碳纳米管的结构和性能，综述了碳纳米管/聚合物复合材料的制备方法及其聚合物结构复合材料和聚合物功能复合材料中的应用研究情况，在此基础上，分析了碳纳米管在复合材料制备过程中的纯化、分散、损伤和界面等问题，并展望了今后碳纳米管/聚合物复合材料的发展趋势。 [关键词]碳纳米管；复合材料；结构；性能 自从1991 年日本筑波NEC 实验室的物理学家饭岛澄男(Sumio Iijima)[1]首次报道了碳纳米管以来，其独特的原子结构与性能引起了科学工作者的极大兴趣。按石墨层数的不同碳纳米管可以分为单壁碳纳米管(SWNTs) 和多壁碳纳米管(MWNTs)。碳纳米管具有极高的比表面积、力学性能(碳纳米管理论上的轴向弹性模量与抗张强度分别为1~2 TPa 和200Gpa)、卓越的热性能与电性能(碳纳米管在真空下的耐热温度可达2800 ℃，导热率是金刚石的 2 倍，电子载流容量是铜导线的1000 倍)[2-7]。碳纳米管的这些特性使其在复合材料领域成为理想的填料。聚合物容易加工并可制造成结构复杂的构件，采用传统的加工方法即可将聚合物/碳纳米管复合材料加工及制造成结构复杂的构件，并且在加工过程中不会破坏碳纳米管的结构，从而降低生产成本。因此，聚合物/碳纳米管复合材料被广泛地研究。 根据不同的应用目的，聚合物/碳纳米管复合材料可相应地分为结构复合材料和功能复合材料两大类。近几年，人们已经制备了各种各样的聚合物/碳纳米管复合材料，并对所制备的复合材料的力学性能、电性能、热性能、光性能等其它各种性能进行了广泛地研究，对这些研究结果分析表明：聚合物/碳纳米管复合材料的性能取决于多种因素，如碳纳米管的类型(单壁碳纳米管或多壁碳纳米管)，形态和结构(直径、长度和手性)等。文章主要对聚合物/碳纳米管复合材料的研究现状进行综述，并对其所面临的挑战进行讨论。 1 聚合物/碳纳米管复合材料的制备 聚合物/碳纳米管复合材料的制备方法主要有三种：液相共混、固相共融和原位聚合方法，其中以共混法较为普遍。
碳纳米管及其复合材料 2007-4-3 14:18:08 【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。 美国国内纳米管的生产商有Hyperion Catalysis （产品是多壁纤维纳米管）和新登陆的Zyvex Corp （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%勺多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。
高聚物的介电性能 介电性是指高聚物在电场作用下，表现出对静电能的储存和损耗的性质，通常用介电常数和介电损耗来表示。 （1）介电极化 绝大多数高聚物是优良的电绝缘体，有高的电阻率，低介电损耗、高的耐高频性和高的击穿强度。但在外电场作用下，或多或少会引起价电子或原子核的相对位移，造成了电荷的重新分布，称为极化。主要有以下几种极化：（1）电子极化，（2）原子极化，（3）偶极极化。前两种产生的偶极矩称诱导偶极矩，后一种为永久偶极矩的取向极化。 极化偶极矩（）的大小，与外电场强度（E）有关，比例系数称为分子极化率。 ＝E 按照极化机理不同，有电子极化率，原子极化率（上述两者合称变形极化率 ＝＋）和取向极化率。 ＝（为永久偶极矩） 因而对于极性分子＝＋＋ 对于非极性分子＝＋ 根据高聚物中各种基团的有效偶极矩，可以把高聚物按极性大小分为四类： 非极性：PE、PP、PTFE 弱极性：PS、NR 极性：PVC、PA、PVAc、PMMA 强极性：PVA、PET、PAN、酚醛树脂、氨基树脂 高聚物的有效偶极矩与所带基团的偶极矩不完全一致，结构对称性会导致偶极矩部分或全部相互抵消。 介电常数是表示高聚物极化程度的宏观物理量，它定义为介质电容器的电容C比真空电容器C0的电容增加的倍数。
式中：为极板上的原有电荷，为感应电荷。 介电常数的大小决定于感应电荷的大小，所以它反映介质贮存电能的能力。 宏观物理量与微观物理量之间的关系可以用Clausius-Mosotti方程给出： 摩尔极化度P＝（对非极性介质） ＝（对极性介质） （2）介电损耗 聚合物在交变电场中取向极化时，伴随着能量消耗，使介质本身发热，这种现象称为聚合物的介电损耗。 常用复数介电常数来同时表示介电常数和介电损耗两方面的性质： 为实部，即通常实验测得的； 为虚部，称介电损耗因素。 ＝+ ＝ 式中：为静电介电系数；为光频介电系数；为偶极的松弛时间。 介电损耗为＝，一般高聚物的介电损耗很少，＝10-2～10-4，与的关系可用Debye方程描述：
单壁碳纳米管 碳纳米管复合材料的制备研究进展 王子川 摘要 碳纳米管由于其优异的性能而成为近年来研究的热点。本文则从碳纳米管的制备、 纯化、复合等步骤综述了碳纳米管复合材料的制备方法。 关键词 碳纳米管 复合材料 制备 0 引言 在1991年日本NEC 公司基础研究实 验室的电子显微镜专家饭岛(Iijima)在高 分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设 备中产生的球状碳分子时，意外发现了由 管状的同轴纳米管组成的碳分子，这就是 现在被称作的“Carbon nanotube”，即碳纳 米管，又名巴基管。[1] 碳纳米管成空心管状结构，其长度为 微米级，直径为纳米级。按照石墨烯片的层数分类可分为单壁碳纳米管（Single-walled nanotubes ， SWNTs ）和多壁碳纳米管（Multi-walled nanotubes ， MWNTs ）。[2] 利用碳纳米管的性质可以制作出很多性能优异的复合材料。例如用碳纳米管材料增强的塑料力学性能优良、导电性好、耐腐蚀、屏蔽无线电波。使用水泥做基体的碳纳米管复合材料耐冲击性好、防静电、耐磨损、稳定性高，不易对环境造成影响。碳纳米管增强陶瓷复合材料强度高，抗冲击性能好。碳纳米管上由于存在五元环的缺陷，增强了反应活性，在高温和其他物质存在的条件下，碳纳米管容易在端面处打开，形成一个管子，极易被金属浸润、和金属形成金属基复合材料。这样的材料强度高、模量高、耐高温、热膨胀系数小、抵抗热变性能强。 碳纳米管和其他材料的复合可以实现组元材料的优势互补，如引入碳纳米管到PAN 树脂中配置纺丝原液，既能提高原丝强度，又可以提高碳收率。但是，在通常情况下，碳纳米管以团聚的形式存在，呈表面惰性，这往往会削弱单根碳
7.4 聚合物的电学性质 一提起高聚物的电学性质，人们马上会想起高聚物是一种优良的电绝缘体，广泛用作电线包皮。这的确是高聚物优良的电学性质的一个重要方面，即高的电阻率、很高的耐高频性、高的击穿强度，所以是一种理想的电绝缘材料。 其实有的高聚物还具有大的介电常数和很小的介电损耗，从而可以用作薄膜电容器的电介质。 还有其他具有特殊电功能的高聚物相继出现，比如高聚物驻极体、压电体、热电体、光导体、半导体、导体、超导体等。 研究高聚物的电学性质，除了生产上的实用价值外，它还有重要的物理意义，因为高聚物的电学性质往往最灵敏地反映高分子内部结构和分子运动之间的关系。电学性质能在比力学性质更宽的频率范围内测定，测定精确性和灵敏性都高，因而成为研究高分子结构和分子运动的有力手段。 7.4.1 聚合物的介电性 介电性是指高聚物在电场作用下，表现出对静电能的储存和损耗的性质。通常用介电常数和介电损耗来表示。 根据高聚物中各种基团的有效偶极距μ，可以把高聚物按极性的大小分成四类： 非极性（μ＝0）：聚乙烯、聚丙烯、聚丁二烯、聚四氟乙烯等 弱极性（μ≤0.5）：聚苯乙烯、天然橡胶等 极性（μ＞0.5）：聚氯乙烯、尼龙、有机玻璃等 强极性（μ＞0.7）：聚乙烯醇、聚酯、聚丙烯腈、酚醛树脂、氨基塑料等 聚合物在电场下会发生以下几种极化：（1）电子极化，（2）原子极化，（3）偶极极化。聚合物的极化程度用介电常数ε表示。它定义为介质电容器的电容比真空电容器增加的倍数 式中：V为直流电压；Q0、Q分别为真空电容器和介质电容器的两极板上产生的电荷；Q’为由于介质极化而在极板上感应的电荷。 介电常数的大小决定于感应电荷Q’的大小，所以它反映介质贮存电能的能力。
碳纳米管纳米复合材料的研究现状及问题 [摘要]文章介绍了碳纳米管的结构和性能，综述了碳纳米管/聚合物复合材料的制备方法及其聚合物结构复合材料和聚合物功能复合材料中的应用研究情况，在此基础上，分析了碳纳米管在复合材料制备过程中的纯化、分散、损伤和界面等问题，并展望了今后碳纳米管/聚合物复合材料的发展趋势。 [关键词]碳纳米管；复合材料；结构；性能 自从 1991 年日本筑波 NEC 实验室的物理学家饭岛澄男(Sumio Iijima)[1]首次报道了碳纳米管以来，其独特的原子结构与性能引起了科学工作者的极大兴趣。按石墨层数的不同碳纳米管可以分为单壁碳纳米管(SWNTs) 和多壁碳纳米管(MWNTs)。碳纳米管具有极高的比表面积、力学性能(碳纳米管理论上的轴向弹性模量与抗张强度分别为 1~2 TPa 和 200Gpa)、卓越的热性能与电性能(碳纳米管在真空下的耐热温度可达 2800 ℃，导热率是金刚石的 2 倍，电子载流容量是铜导线的 1000 倍)[2-7]。碳纳米管的这些特性使其在复合材料领域成为理想的填料。聚合物容易加工并可制造成结构复杂的构件，采用传统的加工方法即可将聚合物/碳纳米管复合材料加工及制造成结构复杂的构件，并且在加工过程中不会破坏碳纳米管的结构，从而降低生产成本。因此，聚合物/碳纳米管复合材料被广泛地研究。 根据不同的应用目的，聚合物/碳纳米管复合材料可相应地分为结构复合材料和功能复合材料两大类。近几年，人们已经制备了各种各样的聚合物/碳纳米管复合材料，并对所制备的复合材料的力学性能、电性能、热性能、光性能等其它各种性能进行了广泛地研究，对这些研究结果分析表明：聚合物/碳纳米管复合材料的性能取决于多种因素，如碳纳米管的类型(单壁碳纳米管或多壁碳纳米管)，形态和结构(直径、长度和手性)等。文章主要对聚合物/碳纳米管复合材料的研究现状进行综述，并对其所面临的挑战进行讨论。
碳纳米管纳米复合材料的研究现状及问题自从1991 年日本筑波NEC 实验室的物理学家饭岛澄男(Sumio Iijima)报道了碳纳米管以来，其原子结构与性能引起了科学工作者的极大兴趣。按石墨层数的不同碳纳米管可以分为单壁碳纳米管(SWNTs)和多壁碳纳米管(MWNTs)。碳纳米管具有极高的比表面积、力学性能(碳纳米管理论上的轴向弹性模量与抗张强度分别为1~2TPa和200Gpa)、优越的热性能与电性能(碳纳米管在真空下的耐热温度可达2800 ℃，导热率是金刚石的2倍，电子载流容量是铜导线的1000 倍)。碳纳米管的这些特性使其在复合材料领域成为理想的填料。聚合物容易加工并可制造成结构复杂的构件，采用传统的加工方法即可将聚合物/碳纳米管复合材料加工及制造成结构复杂的构件，并且在加工过程中不会破坏碳纳米管的结构，从而降低生产成本。因此，聚合物/碳纳米管复合材料被广泛地研究。 根据不同的应用目的，聚合物/碳纳米管复合材料可相应地分为结构复合材料和功能复合材料两大类。近几年，人们已经制备了各种各样的聚合物/碳纳米管复合材料，并对所制备的复合材料的力学性能、电性能、热性能、光性能等其它各种性能进行了广泛地研究，对这些研究结果分析表明：聚合物/碳纳米管复合材料的性能取决于多种因素，如碳纳米管的类型(单壁碳纳米管或多壁碳纳米管)，形态和结构(直径、长度和手性)等。文章主要对聚合物/碳纳米管复合材料的研究现状进行综述，并对其所面临的挑战进行讨论。 1 聚合物/碳纳米管复合材料的制备 ·石墨烯·分子筛·碳纳米管·黑磷·类石墨烯·纳米材料 江苏先丰纳米材料科技有限公司是国际上提供石墨烯产品很早的公司之一，现专注于石墨烯、
碳纳米管复合材料的研究现状 摘要：自从上个世纪末纳米技术的出现，纳米材料的独特性能引起人们的广泛关注。把纳米材料与高分子材料复合，制备高性能和功能化的复合材料成为高分子材料领域的热点之一。作为纳米材料领域之一的碳纳米管（CNTs）具有独特的物理性能，是一种具有纳米直径的管状碳纤维，它具有超强的韧性和强度以及优异的导电性能。通过不同的复合方法可制备出增强、导电和电磁屏蔽的优异性能的材料，具有广泛的应用前景。 本论文通过不同的方法制备了不同高分子基碳纳米管复合材料，研究了CNTs在基体中分散状况和复合材料的力学、热学和导电性能，并探讨了CNTs对复合材料的结构和性能的影响。 关键词：纳米材料；碳纳米管；复合材料； 纳米材料是指平均粒径在纳米级（1-100nm）范围内的固体材料的总称。而作为其中重要的一个部分则是聚合物/无机纳米粒子复合材料，一般是指以有机高分子聚合物为连续相与纳米粒子进行复合而得到的复合材料。这种材料能够充分的结合高分子材料以及纳米粒子所具有的特性，大大的扩展了高分子材料的应用领域，而成为纳米材料里的研究热门。 一、纳米材料的特性 1992年国际纳米材料会议对纳米材料定义如下:一相任一维的尺寸达到 100nm以下的材料为纳米材料。由此可知,纳米材料的几何形状既可以是粒径小于100nm的零维纳米粉末,也可以是径向尺寸小于100nm的一维纳米纤维或二维纳米膜、三维纳米块体等。纳米材料的材质可以是金属或非金属;相结构可以是单相或多相;原子排列可以是晶态或非晶态。当物质进入纳米级后,其在催化、光、电、热力学等方面都出现特异化,这种现象被称为“纳米效应”。具体表现在以下几个方面： 1. 表面效应 固体颗粒的比表面积与其粒径的关系可由下式表示: Sw=k/ρD (1-1) 式中Sw—粒子的比表面积;k—形状因子(球形和立方体粒子的K为6);ρ—粒子
第25卷第1期高分子材料科学与工程 Vol.25,No.1 2009年1月 POLYMER MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING Jan.2009 聚氨酯弹性体/碳纳米管复合材料的制备与性能 伍金奎,王 峰,夏和生 (高分子材料工程国家重点实验室,四川大学高分子研究所,四川成都610065) 摘要:通过三种方法制备了碳纳米管(CN T s)改性的热塑性聚氨酯弹性体(T P U ),研究了碳纳米管对热塑性聚氨酯弹性体的增强、增韧效果。考察了T P U/CNT s 复合材料的力学性能、热性能及流变性能。结果表明,碳纳米管能有效地实现对T PU 的增强和增韧,在CNT 含量为1%时,拉伸强度从5416M Pa 提高到6610M Pa,断裂伸长率从684%提高到801%。SEM 表明CN T 在T P U 中分散性良好。通过XRD 、DSC 和T GA 表征了复合材料的微观结构和热性能。关键词:碳纳米管;聚氨酯弹性体;固相力化学 中图分类号:T B383 文献标识码:A 文章编号:1000-7555(2009)01-0111-04 收稿日期:2008-01-28 基金项目:国家自然科学基金面上项目(50673060),973国家重点基础研究发展计划资助(2007CB714701)和四川省杰出青年学科带头人培 养计划(06ZQ026-032) 通讯联系人:夏和生,主要从事聚合物纳米复合材料、力化学研究, E -mail:xi ahs@https://www.doczj.com/doc/463525393.html, 碳纳米管(CNTs)具有长径比大、力学强度高、良好的电导率和热导率等优点,成为聚合物理想的增强纤维[1]。碳纳米管/聚合物复合材料[2]既能保持聚合物基体的弹性、强度和模量等性能,又能使电导率和热导率得到提高。制备碳纳米管/聚合物复合材料的方法有原位聚合法[3]和机械共混法(包括溶液共混、熔融共混和固相共混[4~6])。但这两种方法面临的问题是:(1)实现CNTs 在基体中的均匀分散而不出现团聚和缠结;(2)需改善CNTs 与聚合物基体间的相互作用力。 热塑性聚氨酯弹性体(TPU )是一种通用材料,其分子中的线性结构一般由分子量1000~3000的聚酯或聚醚醇组成,小分子二元醇或二元胺与二异氰酸酯反应形成其硬段。CNTs 加入到聚合物基体中能大大改善其热稳定性和电导率[7,8]。与常规的炭纤维相比,CNTs 填充的TPU 易于脱模,即使在较高的载荷下变形的样品仍具有完好的表面。 本文利用一种固相力化学方法)))力化学反应器[9]制备了聚氨酯/碳纳米管复合粉体,然后采用双辊将复合粉体熔融混炼。固相力化学反应器是根据中国古代的石磨原理进行加工,可以对物料实施强大的挤压、剪切及环向应力,具有混合、粉碎、分散及诱导力化学反应的功能,可在室温下有效实现聚合物的超细粉碎和固相力化学反应。该方法最大的优点是可以解 决碳纳米管在聚合物基体中分散和缠结问题。1 实验部分 1.1 主要原料 多壁碳纳米管(CNTs):外径~20nm,内径5nm ~10nm,中国科学院成都有机所;热塑性聚氨酯弹性体(TPU ):邵氏硬度80A,深圳鹏博盛有限公司;硬脂酸:成都科龙试剂厂。1.2 设备 采用磨盘型固相力化学反应器实现对TPU 和CNTs 的碾磨。 1.3 样品制备 碳纳米管的表面处理:将30g CNTs 加入到2%硬脂酸的乙醇溶液中,搅拌2h,再将混合物在70e 抽真空除去乙醇。 CNTs/T PU 复合粉体的制备:将120gTPU 和30g CNTs 在30r/min 转速下由中心进料口加入固相力化学反应器,经过一个周期的碾磨后沿磨盘下边沿出料,将收集的粉体进行下一周期的碾磨,共碾磨6次。 T PU/CNTs 复合材料的制备:采用三种方法制备T PU/CNTs 复合材料。(1)双辊直接共混法(TM 法):将硬脂酸处理的碳纳米管和T PU 粒子混合,150e ~170e 在双辊塑炼机上混炼15m in 。将得到的T PU/CNTs 块料在180e 、10MPa 压力下热压10
高性能聚合物 结课作业 题目：超低介电常数集合物的研究进展 班级： 学号： 姓名： 学科、专业：
随着电子信息技术的突飞猛进, 电子产品正朝着轻量薄型化、高性能化和多功能化的方向发展。进入21世纪以来, 特别是近几年, 超大规模集成电路(ULSI: Ultra Large Scale Integrated Circuit)器件的集成度越来越高, 比如我们熟知的Intel公司所生产的酷睿2双核处理器的特征尺寸已经达到65nm. 当器件的特征尺寸逐渐减小时即集成度不断提高时, 会引起电阻- 电容(RC) 延迟上升,从而出现信号传输延时、噪声干扰增强和功率损耗增大等一系列问题[1 ], 这将极大限制器件的高速性能。降低RC延迟和功率损耗有两个途径, 一是降低导线电阻R, 也就是用铜( 20℃时电阻率为11678μΩ·m) 取代传统的铝( 20℃时电阻率为21655μΩ·m) 来制备导线, 另外一个同时也是更重要的是降低介质层带来的寄生电容C。由于电容C正比于介电常数ε, 所以就需要开发新型、低成本以及具有良好性能的低介电常数(ε < 3) 材料来代替传统的SiO2 (ε约为410) 作介质层。而对用于金属间的介电材料, 除了满足介电性能的要求外, 还必须具有较高的热稳定性, 因为在器件的制造过程中需经历较高的加工温度, 例如金属互联线的成型就需要在400～450℃的高温条件下进行。因此制备低介电常数材料成为现在人们研究的热点。 为获得低介电常数, 必须选用非极性分子材料。对于非极性分子, Clausius-Mosotti 方程将介电常数ε与极化率α联系起来[ 2 ] : 式中N 为单位体积内的极化分子数, α为分子极化率, 是电子和离子极化率之和, ε0为真空电容率(或称为真空介电常数) 。由上式可知降低材料介电常数的途径有: (1) 降低分子极化率α, 即选择或研发低极化能力的材料; ( 2) 减小单位体积内极化分子数N, 这可以通过向材料中引入空隙加以实现。 对于用于介电材料的聚合物而言,除了要求其有低的介电常数以外还要求其它性能也能满足集成电路对材料的要求,如良好的热稳定性,低的吸湿性,易于蚀刻,良好的力学性能,低的热膨胀系数,与不同的导体有良好的粘结性和高温下不与金属导体反应等特性。热性能一直作为用于介电材料聚合物的重要考查项目。这是因为集成电路在布线完成后需要在400 ℃～500 ℃的温度下进行1h 以上的退火处理,要求用于集成电路的层间材料能在承受这一温度几个小时。 1.降低聚合物介电常数的方法和原理 通常降低聚合物材料介电常数的方法有:增加聚合物材料的自由体积,引入氟原子和生成纳米微孔材料。短的侧链,柔性的桥结构和能限制链间相互吸引的大的基团都可以增加聚
碳纳米管纳米复合材料的研究现状及问题 ［摘要］文章介绍了碳纳米管的结构和性能，综述了碳纳米管/聚合物复合材料的制备方法及其聚合物结构复合材料和聚合物功能复合材料中的应用研究情况，在此基础上，分析了碳纳米管在复合材料制备过程中的纯化、分散、损伤和界面等问题，并展望了今后碳纳米管/聚合物复合材料的发展趋势。 ［关键词］碳纳米管；复合材料；结构；性能 自从1991年日本筑波NEC实验室的物理学家饭岛澄男（Sumio lijima）［1］首次报道了碳纳米管以来，其独特的原子结构与性能引起了科学工作者的极大兴趣。 按石墨层数的不同碳纳米管可以分为单壁碳纳米管（SWNTs）和多壁碳纳 米管（MWNTs。碳纳米管具有极高的比表面积、力学性能（碳纳米管理论上的轴向弹性模量与抗张强度分别为1~2 TPa和200Gpa）、卓越的热性能与电性能（碳纳 米管在真空下的耐热温度可达2800 C,导热率是金刚石的2倍，电子载流容量是铜导线的1000倍）［2-7］。碳纳米管的这些特性使其在复合材料领域成为理想的填料。聚合物容易加工并可制造成结构复杂的构件，采用传统的加工方法即可将聚合物/碳纳米管复合材料加工及制造成结构复杂的构件，并且在加工过程中不会破坏碳纳米管的结构，从而降低生产成本。因此，聚合物/碳纳米管复合 材料被广泛地研究。 根据不同的应用目的，聚合物/碳纳米管复合材料可相应地分为结构复合材料和功能复合材料两大类。近几年，人们已经制备了各种各样的聚合物/碳纳米管复 合材料，并对所制备的复合材料的力学性能、电性能、热性能、光性能等其它各种性能进行了广泛地研究，对这些研究结果分析表明：聚合物/碳纳米管复合材 料的性能取决于多种因素，如碳纳米管的类型（单壁碳纳米管或多壁碳纳米管），形态和结构（直径、长度和手性）等。文章主要对聚合物/碳纳米管复合材料的研究现状进行综述，并对其所面临的挑战进行讨论。
碳纳米管-聚合物复合材料的研究 The Study of Carbon Nanotube-Polymer Composites 摘要：碳纳米管优异的力学性能使其成为优选的复合材料增强体。本文综述了碳纳米管-聚合物复合材料的研究进展，简要介绍了碳纳米管-聚合物复合材料的制备方法以及碳纳米管-聚合物复合材 料在力学、电学、热学等方面取得的进展。并详细讨论了碳纳米管与聚合物的相互作用机理。最后展望了碳纳米管-聚合物复合材料的应用前景。 关键词：碳纳米管；复合材料；制备 Abstract: The excellent mechanical properties of carbon nanotubes make it to be the preferred reinforcement of composite materials. The advances in research on carbon nanotube-polymer composites are reviewed. The preparation methods of carbon nanotube-polymer composites and the advances of studies on the mechanical, electrical, thermal properties are introduced. The interaction mechanism of carbon nanotubes and polymers is discussed in detail. Finally, the application prospect of carbon nanotube-polymer composites is envisaged.
CHINA SYNTHETIC RESIN AND PLASTICS 研究与开发合?成?树?脂?及?塑?料?，?2013，?30（2）：? 13PVC/碳纳米管复合材料的制备 王?俊1，何?璟2，刘?凯2，费?彬2，郭雪晴2，朱?敏2，王?华2 ?（1.?合肥工业大学化学化工学院，安徽省合肥市?230009；2.?合肥杰事杰新材料有限公司，安徽省合肥市?230601）摘?要：?采用原子转移自由基聚合（ATRP）在多壁碳纳米管（MWNTs）表面接枝聚丙烯酸丁酯（PBA）得到MWNTs-PBA，并以此对聚氯乙烯（PVC ）改性，采用熔融共混法制备了PVC/MWNTs-PBA复合材料。傅里叶变换红外光谱分析及透射电子显微镜观察结果表明：采用?ATRP?法成功地将?PBA?接枝到MWNTs的表面。接枝了聚合物的碳纳米管可以提高复合材料的结晶温度（5?o C?左右）、耐热温度（20?o C?左右）；复合材料的流变性能、导电性能也同时得以提高。 关键词：?聚氯乙烯?多壁碳纳米管?原子转移自由基聚合?复合材料 中图分类号：?TQ?328 文献标识码：?B 文章编号：?1002-1396（2013）02-0013-04 收稿日期：?2012-09-30。 修回日期：?2012-12-28。 作者简介：?王俊，1986年生，硕士，2010 年毕业于合肥工业大学高分子材料学专业，现从事高分子流变学研究。 联系电话：（021）54743275；E-mail：? wa 869@https://www.doczj.com/doc/463525393.html,。近年来，聚合物基碳纳米管复合材料已经成为研究热点[1-2]。通常，大批量生产的碳纳米管存在很多缺陷，分散性也不好。为改善其表面结构，一般采用表面修饰的方法赋予其新的功能[3-4]。聚氯乙烯（PVC）是一种重要的热塑性塑料，应用领域广泛。然而，PVC的加工性能、热稳定性和抗冲击性能均较差，使其应用受到限制。近年来，对PVC的相关改性得到了广泛关注。目前常用的方法是采用弹性体增韧PVC，可是在韧性提高的同时，材料的拉伸强度、耐热性随之下降，而且加工流动性能变差。本工作采用原子转移自由基聚合（ATRP）的方法在多壁碳纳米管（MWNTs）表面接枝聚丙烯酸丁酯（PBA），然后将接枝的MWNTs与PVC熔融共混制成纳米复合材料，研究了复合材料的性能。1 实验部分1.1 主要原料 MWNTs，纯度96%，直径10?nm，北京德科岛金科技有限公司生产。PVC，F 401，中国石化扬子石油化工有限公司生产。丙烯酸丁酯（BA）， 分析纯，使用前先去除其中的阻聚剂；二氯亚砜（SOCl 2），分析纯，采用常压蒸馏；乙二醇，先除水，再采用减压蒸馏处理；二氯甲烷；N ，N -二甲基甲酰胺（DMF）；四氢呋喃（THF）；4-二氨甲基吡啶（DMAP）；五甲基二乙烯三胺；溴化亚铜（CuBr ）:均为市售。 1.2 仪器与设备 MAGNA-IR 750型傅里叶变换红外光谱仪，美国Nicolet公司生产。HT 7700型透射电子显微镜，日本日立公司生产。XSS-300型转矩流变仪，上海科创有限公司生产。SWB-300型维卡软化温度测定仪，上海思尔达科学仪器有限公司。EST 991型电阻率测定仪，北京时代新维有限公司生产。1.3 复合材料的制备 1.3.1?MWNTs表面接枝PBA 将MWNTs加入到发烟硝酸中，再滴加几滴浓硫酸，超声分散30?min后在120?℃?时回流24?h，将反应产物用蒸馏水反复洗涤至中性，放入真 空干燥箱中于80?℃?干燥24?h?后可得MWNT— COOH；将过量的SOCl 2加入MWNTs—COOH中超声30?min，在90?℃回流24?h，反应结束后减压蒸 馏产物中剩余的SOCl 2，得到MWNTs—COCl；再 将过量的乙二醇与MWNTs—COCl混合超声分散30?min，在120?℃?回流48?h，将反应产物用无水乙醇洗涤数次后真空干燥，得到MWNTs-OH；将MWNTs-OH、三乙胺及DMAP溶于二氯甲烷中超