碳纳米管复合材料的界面剪切应力研究

摘要本文介绍了T1000 级碳纤维的发展历程，综述了T1000 级碳纤维及其复合材料的研究及应用情况，指出了国产T1000 级碳纤维应用研究需要关注的问题。

1引言碳纤维是一种碳元素组成占总质量90％以上，具有高强度、高模量、耐高温等优点的纤维材料。

最早可追溯至18 世纪的爱迪生和斯旺，1959年日本首先发明了聚丙烯腈（PAN）基碳纤维，而当下碳纤维的核心技术和产能被日本、美国以及一些欧洲发达国家和地区掌控。

T1000 级碳纤维作为碳纤维中的高端产品，在航空航天领域有着极大的用途。

高性能碳纤维的研究可以改善固体火箭发动机消极质量、提升载药量、提高质量比，对于先进武器的发展研究以及航天探索有重大意义。

目前国外已经大量使用T1000 级碳纤维的缠绕容器和固体火箭发动机壳体，因此开展国产T1000级碳纤维及其复合材料的应用研究迫在眉睫。

碳纤维的制备包括物理、化学、材料科学等多个领域的内容，总体分为纺丝原液的聚合、聚丙烯腈原丝的纺制、预氧化和碳化三个步骤，有众多因素需要调控。

根据缺陷理论和最弱连接理论，制备过程中产生的缺陷是影响碳纤维性能的主要因素，为保证碳纤维的性能，需要对每个工艺流程中工艺参数精准调控，由于加工过程中的各参数之间相互作用十分复杂，且目前一些工艺流程中的实际形成和演变机理不明，也使得高性能碳纤维，尤其是T1000 级碳纤维的研制有很大困难。

T1000 级碳纤维的研究主要包括碳纤维本身性能的研究、碳纤维复合材料的改性研究、碳纤维复合材料使用性能的研究几个方面。

由于T1000 级碳纤维本身的高性能、价格昂贵等原因，且国产T1000 级碳纤维还没有正式投入应用的报道，在实际应用方面主要介绍国外T1000 级碳纤维在航空航天以及其他领域的应用情况。

2T1000 级碳纤维性能研究现状1962 年正式开展PAN 基碳纤维的研制，1986 年研制出T1000G 碳纤维。

2014 年 3 月，通过碳化精细控制技术在纳米层级内控制纤维结构，成功研发出T1100G 碳纤维，2017 年 6 月强度由6600MPa 更新至7000MPa，目前东丽已完成了T1200 碳纤维的量产。

碳纳米管的特性及其高性能的复合材料综述摘要作为一种具有较强力学性能的材料，碳纳米管自诞生以来就受到了广泛关注，并且从以往的实践经验上来看，碳纳米管是非常理想的制备符合材料的形式。

在本文的研究当中，主要立足于这一领域进行分析，提出了碳纳米管本身所具备的特性，以及这种材料在实践过程当中的优越性，进而提出应用策略，希望能够在一定程度上起到借鉴作用。

关键词碳纳米管；复合材料；复合镀迄今为止，碳纳米管材料已经在诸多领域当中得以运用，并且取得了比较显著的成果，其中包括电极材料、符合材料、催化剂载体等诸多方面。

在应用过程当中，碳纳米管的优异性能能够使其在符合材料当中起到较强的作用。

本文研究的侧重点在于碳纳米管的制备和复合材料的应用方面，提出了碳纳米管的特性及其高性能的复合材料。

1 碳纳米管的结构及其性能从结构上来看，碳纳米管具有石墨层状的结构，其中包括单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。

组成纳米碳管的C-C共价键是自然界当中具有稳定特征的化学键，无论在理论计算还是实践当中，都能够看出来，碳纳米管具有非常强的韧性。

在制备过程当中，碳纳米管主要涉及的电弧放电、催化热解和激光蒸发等。

具体来讲，在电弧放电当中，主要制备单壁碳纳米管，但是其中具有一定的弊端，比如产率非常低，但是成本却很高；而催化热解法当中所表现出来的是设备简单和生长速度较快等特点，一般在现代工程的批量化生产过程当中，会用到这种方法。

在当前应用领域，高强度的微米级碳纤维复合材料有着非常广阔的应用前景和较好的应用效果。

但是当前我国在这一领域所取得的进展依旧比较滞后，要想在强度上取得新的突破，必须要有效减少碳纤维的直径，提高纵横比。

碳纳米管是比较典型的纳米材料，纵横比非常可观。

更为重要的是，从长度上来讲，纳米管对于复合材料的加工性能并没有非常明显的不良影响，使用这一材料能够有效聚合复合材料，改变传统加工当中的一些问题，增强复合材料的导电性能。

再加上纳米管当中所具备的结构优势，使得聚合物电导率提升的同时也不容易被改变性能[1]。

10碳纳米管在橡胶工业中的应用研究进展崔小明摘 要：碳纳米管(CNTs)独特的结构使其具有超高的强度、极大的韧性、独特的导电、导热等性能，作为增强材料在橡胶工业中具有重要的应用。

介绍了碳纳米管在天然橡胶、合成橡胶以及多种橡胶并用方面的应用研究进展，指出了其今后的发展前景。

关键词：碳纳米管；天然橡胶；合成橡胶；橡胶并用；应用研究进展碳纳米管(C N T s)具有与炭黑相似的表面结构和化学组成，具有密度小、比表面积大、热化学稳定性好、力学性能优异、电磁性能和场发射性能良好等优点，作为一维结构的纳米填充材料不仅可以显著改善橡胶复合材料的导电、导热和力学等性能，同时也可赋予橡胶材料高强度、低膨胀、高耐磨、高导电、高导热等性能，在橡胶工业中具有广泛的应用。

介绍了CNTs在天然橡胶、合成橡胶以及多种橡胶并用方面的应用研究进展，指出了其今后的发展前景。

1 在天然橡胶中的应用太原理工大学化学化工学院李龙等[1]为了提高CO2分离膜的性能,将多壁碳纳米管（MWCNTs）添加到天然橡胶（NR）中制备NR/MWCNTs混合基质膜。

考察了MWCNTs含量对混合基质膜机械性能的影响，研究了MWCNTs含量、进料气压力和热交联时间对NR/MWCNTs混合基质膜CO2分离性能的影响以及膜的耐老化性能。

结果表明，随着MWCNTs的增加，混合基质膜的C O2渗透系数逐渐增加，而CO2/N2选择性先增加后减少；当MWCNTs与NR的质量比为2.0%，混合基质膜的气体分离性能达到最优，其C O2渗透系数和C O2/N2选择性分别为138B a r r e r和12.5。

随着压力的增加，膜的C O2渗透系数和CO2/N2选择性逐渐增加。

当热交联时间为24h，在压力为2bar下，MWCNTs与NR的质量比为2.0%的NR/MWCNTs混合基质膜的CO2渗透系数和CO2/N2选择性分别为95Barrer和16.8；且热交联的膜比未交联的混合基质膜具有更优异的耐老化性能。

碳纳米管的力学性能研究碳纳米管是石墨烯卷曲而成的空心圆柱体，具有许多优异的力学性能，因此在纳米科技领域备受关注。

本文将就碳纳米管的力学性能进行研究和讨论。

第一部分：碳纳米管的力学性质1. 碳纳米管的弯曲强度：研究表明，碳纳米管的弯曲强度非常高，可以承受较大的外力而不易断裂。

这得益于其高度结晶的晶格结构以及碳原子之间的强键结合。

2. 碳纳米管的拉伸强度：碳纳米管的拉伸强度也是其重要的力学性能之一。

实验研究发现，碳纳米管的拉伸强度可以达到数百至数千GPa，高于大多数其他材料的强度值。

3. 碳纳米管的弹性模量：碳纳米管的弹性模量决定了其在变形时的回复能力。

理论计算表明，碳纳米管的弹性模量可以超过1 TPa，远高于传统材料如钢铁和铝。

第二部分：碳纳米管的应用1. 碳纳米管在纳米机械领域的应用：碳纳米管的优异力学性能使其成为纳米机械领域中的理想候选材料。

例如，在纳米机器人的制造中，碳纳米管可以用作结构支撑，以确保纳米机器人的强度和稳定性。

2. 碳纳米管在强化复合材料中的应用：由于碳纳米管具有优异的强度和刚度，它可以用来增强传统的复合材料，如玻璃纤维和聚合物基复合材料。

这样的复合材料在航空航天和汽车制造等领域有广泛的应用。

3. 碳纳米管在生物医学领域的应用：碳纳米管还可以用于生物医学领域。

其高度结晶的结构和生物相容性使其成为药物传输和组织工程等方面的理想材料。

第三部分：碳纳米管的挑战和未来发展1. 残余应力：在制备碳纳米管过程中，由于温度和压力的影响，碳纳米管内部常常存在残余应力。

这种残余应力可能导致碳纳米管的力学性能下降，因此需要进一步研究和解决。

2. 大规模制备：目前，碳纳米管的大规模制备仍然面临挑战。

高成本和制备工艺的复杂性限制了碳纳米管的广泛应用。

随着技术的进步和研究的深入，相信碳纳米管在未来的应用领域中将会有更大的突破和发展。

我们可以期待碳纳米管的力学性能研究为纳米科技和材料科学领域带来更多的创新和应用。

利用纳米材料增强的纤维增强复合材料的力学性能研究近年来，纤维增强复合材料在航空航天、汽车工业等领域得到了广泛应用。

然而，与传统复合材料相比，这些材料的力学性能仍然存在一定的局限性。

为了克服这些限制，研究人员们开始探索利用纳米材料来增强纤维增强复合材料的力学性能。

纳米材料具有独特的物理和化学性质，具有较高的比表面积和比强度，使其可以显著提高纤维增强复合材料的机械性能。

一种常见的纳米材料是碳纳米管（CNTs）。

CNTs是由碳原子形成的管状结构，具有优异的力学强度和热导性能。

通过将CNTs添加到纤维增强复合材料中，可以有效增强材料的抗拉强度和刚度。

研究表明，CNTs与复合材料中的纤维之间的力学耦合效应是增强效果的关键。

在材料制备过程中，需要确保CNTs与纤维充分接触，并且在复合材料中均匀分散。

通过合理的掺杂比例和加工方法，可以提高CNTs与纤维之间的粘结强度，从而进一步增强纤维增强复合材料的力学性能。

此外，研究人员还发现其他纳米材料也可以用于增强纤维增强复合材料的力学性能。

例如，纳米颗粒（例如纳米氧化铝、纳米银等），可以用于增加复合材料的硬度和耐磨性。

纳米纤维（例如纳米纤维素、纳米蛋白质等），可以用于改善复合材料的抗击穿能力和能量吸收性能。

通过将这些纳米材料与纤维增强复合材料结合，可以实现性能的综合提高。

然而，在纳米材料增强的纤维增强复合材料中，也存在一些挑战。

首先，纳米材料的制备和加工相对复杂，需要严格控制处理参数和工艺条件。

其次，纳米材料的价格相对较高，会增加复合材料的制造成本。

此外，纳米材料与复合材料的界面相互作用复杂，需要进一步研究和优化。

克服这些挑战，提高纳米材料增强纤维增强复合材料的可靠性和实用性是未来的发展方向。

总体而言，纳米材料增强的纤维增强复合材料具有巨大的发展潜力。

通过合理设计和制备纳米材料加强体系，可以显著提高复合材料的力学性能。

在未来的研究中，我们应该进一步深入探索纳米材料与纤维增强复合材料之间的相互作用机制，并加强对制备工艺和性能评估方法的研究，以实现纳米材料增强的纤维增强复合材料的工业化应用。

碳纳米管复合材料研究进展碳纳米管（Carbon nanotubes，CNTs）是由碳原子构成的长管状结构，直径在纳米级别范围内，具有优异的力学性质、电学性质和热学性质等特性。

碳纳米管的应用极其广泛，涉及到材料、化学、电子、生物和医学等领域。

在材料领域，由碳纳米管复合材料制成的材料在机器人、汽车、飞机、结构材料等方面具有广泛的应用前景。

本文将就碳纳米管复合材料研究进展，从制备、性质及其应用等方面进行论述。

一、制备方法碳纳米管复合材料的制备方法有许多种，包括机械法、溶液法、气相法、离子液体法等。

其中机械法制备的碳纳米管复合材料具有制备工艺简便、低成本、易扩展等优点，但是因为机械法的制备方式较为粗糙，可能会导致制备的复合材料的性能不佳。

离子液体法制备的碳纳米管复合材料具有制备工艺简便、成品纯度高等优势，但是由于离子液体具有较大的粘度，可能限制了碳纳米管的扩散，并形成束缚作用，从而影响复合材料的性能。

相比之下，气相法制备的碳纳米管具有制备工艺简单、制备效率高、碳纳米管纯度高等优势，但是气相法制备的碳纳米管需要高分辨率的仪器进行纯化处理，且气相法制备出的碳纳米管质量与管径分布不均匀。

二、材料性质碳纳米管复合材料具有优异的力学性质、电学性质和热学性质等。

碳纳米管复合材料的力学性能优于传统材料，其拉伸强度达到多千兆帕，弹性模量达到10万吨/立方厘米以上。

电学性质方面，碳纳米管的宽禁带结构使其表现出了金属和半导体的一些性质。

电学性质的优异性可用于电子器件的开发。

热学性质方面，碳纳米管的热传导性能突出，热扩散系数高达4000至6000W/mK左右，是金属的数倍。

然而，碳纳米管在制备和应用时也存在一些问题。

由于碳纳米管的外壳和内腔具有不同的物理结构，也导致了其结构多样化的特性。

复合材料内的碳纳米管方向性效应的强弱决定了复合材料的最终性能，因此研究碳纳米管在复合材料中的应用及取向问题至关重要。

同时，单根碳纳米管的直径和长度均较小，因此用于制备纳米复合材料时需要用到大量碳纳米管，制备过程的成本较高。

碳纳米管/聚合物基复合材料力学性能研究及应用前景摘要：碳纳米管以其独特的化学性能和物理性能成为复合材料的增强体，目前在许多科学研究领域中得到应用。

本文介绍了碳纳米管修饰的高分子复合材料在国内外的研究现状，进一步对几种碳纳米管/聚合物基复合材料的结构和力学性能进行综述。

在此基础上，分析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：碳纳米管高分子复合材料力学性能Abstract：Carbon Nanotubes(CNT) become reinforced composite materials due to their unique chemical and physical properties , it applied in many scientific research currently. This paper introduces the current situation of CNT modified polymer composites in domestic and abroad, the structural and mechanical properties of several CNT / polymer composites were further reviewed . On this basis, we analyzes and prospects the future development trend of carbon CNT / polymer composites.Key words：carbon nanotubes，polymer，composites， the properties of mechanical碳纳米管（CNT）又名巴基管，是一种由管状的同轴纳米管组成的碳分子。

它由Lijima[1]在1991年发现，作为石墨、金刚石等碳晶体家族的新成员，由于其独特结构因而具有许多特异的物理性能，所以受到了各个领域科学家的高度重视，并且成为近年来材料领域的研究热点。

复合材料面内剪切强度复合材料是由两种或两种以上的不同材料组成的材料，具有优异的力学性能和耐久性，广泛应用于航空航天、汽车、建筑和电子等领域。

其中，复合材料的面内剪切强度是评价其性能的重要指标之一。

面内剪切强度是指复合材料在面内受到剪切应力时所能承受的最大应力。

复合材料的面内剪切强度受到多种因素的影响，包括纤维层间剪切、纤维和基体的粘结强度、界面失效等。

纤维层间剪切是影响复合材料面内剪切强度的关键因素之一。

纤维层间剪切是指纤维在剪切载荷作用下相互滑动的现象。

纤维层间剪切的发生会导致复合材料的面内剪切强度降低。

为了提高复合材料的面内剪切强度，可以采取增加纤维层间粘结强度的措施，如表面处理、引入界面剂等。

纤维和基体的粘结强度也对复合材料的面内剪切强度起着重要的影响。

纤维和基体之间的粘结强度决定了复合材料的力学性能和耐久性。

如果纤维和基体之间的粘结强度不够强，则在面内剪切载荷作用下，纤维可能会与基体分离，导致面内剪切强度下降。

因此，提高纤维和基体之间的粘结强度是提高复合材料面内剪切强度的重要手段。

复合材料的界面性能也对面内剪切强度有着重要影响。

界面失效是指复合材料中纤维和基体之间的界面出现破坏的现象。

界面失效会导致纤维和基体之间的粘结强度降低，从而影响复合材料的面内剪切强度。

为了提高复合材料的面内剪切强度，可以通过改善界面的结构和性能来增强界面的粘结强度，如引入界面改性剂、增加界面的粘结面积等。

复合材料的面内剪切强度受到纤维层间剪切、纤维和基体的粘结强度、界面失效等多种因素的影响。

为了提高复合材料的面内剪切强度，可以通过增加纤维层间粘结强度、提高纤维和基体之间的粘结强度以及改善界面的结构和性能来实现。

这些措施可以提高复合材料的整体力学性能和耐久性，推动其在各个领域的广泛应用。

碳纳米管复合材料碳纳米管（Carbon Nanotubes，简称CNTs）是由碳原子按照特定方式组合成的一种纳米材料，它的直径在纳米级别，长度可以达到数微米到数厘米的范围。

碳纳米管具有极高的比表面积、优异的导电性和导热性，以及良好的机械性能，因此被广泛应用于复合材料领域。

碳纳米管复合材料是将碳纳米管与其他材料（如金属、聚合物等）进行复合得到的材料。

碳纳米管可以作为增强相，加入到其他材料基体中，通过增强材料的力学性能、导电性能、导热性能等。

碳纳米管与基体材料之间的相互作用机制很复杂，但一般包括物理机械锚定和化学键结合两种方式。

碳纳米管复合材料在电子器件、航空航天、能源储存等领域具有广阔的应用前景。

碳纳米管复合材料在电子器件中的应用是一大热点研究方向。

由于碳纳米管具有优异的导电性能，使得它们成为替代传统铜线的理想材料。

与铜线相比，碳纳米管具有更高的电流密度承载能力和更快的电子传输速度。

此外，碳纳米管复合材料还可以在导电材料中形成连续网络，提高材料的导电性能。

这使得碳纳米管复合材料成为电子器件中高性能电极材料的候选者，如电池的电极、光伏材料中的导电层等。

此外，碳纳米管复合材料还具有良好的力学性能和导热性能，适用于航空航天领域的应用。

碳纳米管在复合材料中的加入可以增强材料的强度和刚度，并改善材料的耐磨性和耐腐蚀性。

对于航空航天结构件来说，强度和轻量化是两个重要的性能指标，碳纳米管复合材料的应用可以达到这两个指标的要求。

此外，碳纳米管具有优异的导热性能，利用碳纳米管复合材料的热传导特性，可以制备用于散热的材料。

热管理是电子器件和能源储存等领域的一大挑战，碳纳米管复合材料可以在材料中形成高效的热传导通道，提高材料的热传导性能，有助于解决热管理问题。

总的来说，碳纳米管复合材料是一种多功能的材料，具有优异的力学性能、导电性能和导热性能。

它在电子器件、航空航天、能源储存等领域有着广泛的应用前景。

然而，碳纳米管的制备和复合材料中的分散性等问题仍然存在挑战，需要进一步的研究和技术突破。

第14卷　第2期2006年4月材　料　科　学　与　工　艺MATER I A LS SC I ENCE &TECHNOLOGYVol 114No 12Ap r .,2006陶瓷/碳纳米管复合材料的制备、性能及韧化机理沈　军1,张法明1,2,孙剑飞1(1.哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150001,E 2mail:junshen@hit .edu .cn;2.中国科学院上海硅酸盐研究所,上海200050)摘　要:评述和讨论了碳纳米管增强陶瓷基复合材料的制备工艺,包括碳纳米管在陶瓷基体上的分散和材料的烧结成型,添加碳纳米管后材料力学性能、导电和导热等物理性能的改善以及韧化机理,指出碳纳米管在陶瓷材料基体上的均匀分散,碳纳米管在组织中存活,碳纳米管与陶瓷基体的界面结合状态是影响碳纳米管增强陶瓷基复合材料性能提高的关键.关键词:碳纳米管;陶瓷基复合材料;韧化机理;力学性能;物理性能中图分类号:T B332文献标识码:A文章编号:1005-0299(2006)02-0165-06prepara ti on,properti es and tough i n g m echan is m s of carbonnanotubes re i n forced ceram i c ma tr i x co m positesSHEN Jun 1,Z HANG Fa 2m ing1,2,S UN J ian 2fei1(1.School of Materials Science and Engineering,Harbin I nstitute of Technol ogy,Harbin 150001,China,E 2mail:junshen@hit .edu .cn;2.Shanghai I nstitute of Cera m ics,Chinese Acade my of Science,Shanghai 200050,China )Abstract:Carbon nanotubes (CNTs )de monstrate excep ti onal p r operties and their unique tubular structures are believed t o be the ulti m ate reinf orce ment in composites .The mechanical and physical p r operties of brittle cera m ics could be i m p r oved by incor porating CNTs in the matrix .The p reparati on p r ocess for dis persi on of CNTs in the cera m ic matrix,sintering methods,mechanical p r operties,physical p r operties (such as electric conductivity and ther mal conductivity ),as well as t oughing mechanis m s in CNTs reinforced ceram ic matrix composites were revie wed and discussed .It is p r oposed that the key fact ors for i m p r oving the perf ora mce char 2acteristics of CNTs/cera m ic composites are unif or m distributi on of CNTs,the surviving of CNTs in the m icr o 2structures,and the interfacial bonding bet w een CNTs and the cera m ic matrix.Key words:carbon nanotubes;cera m ic matrix composites;t oughing mechanis m s;mechanical p r operties;physical p r operties收稿日期:2004-10-18.基金项目:国家自然科学基金资助项目(50374035).作者简介:沈　军(1965-),男,博士,教授,博士生导师;孙剑飞(1962-),男,博士,教授,博士生导师. 处于s p 2-3杂化态的碳元素可以形成多形态的结构,除金刚石和石墨外,晶态碳还可形成足球结构的C 60和一维管状的碳纳米管.碳纳米管可以看做由六边形的石墨板成360°卷曲而成的管状材料,管的内径在几纳米到几十纳米之间,长度可达微米甚至厘米尺度,长径比高达1000至10000,比表面积大,热稳定性高.在力学性能方面,碳纳米管强度、韧性高,延伸率、弹性模量大,耐磨性优良;尤其是单壁碳纳米管作为一种新型的自组装单分子材料,理论估算其杨氏模量高达5TPa,与金刚石相同,强度约为钢的100倍,而密度却只有钢的1/6,可能是目前比强度和比刚度最高的材料(见表1).碳纳米管还具有优异的导热性能和电学性能等物理特性.因此,碳纳米管被认为是最理想的纳米晶须增韧材料,是纤维类强化相的终极形式[1].陶瓷材料具有共价键和复杂离子键的键合以及复杂的晶体结构,因而呈现耐高温、耐磨损和重量轻等优异的性能,在航空航天,国防军工及工业生产等领域应用十分广泛,但陶瓷材料的脆性问题一直制约着其进一步发展和应用.通过引入增强介质,如第二相颗粒,纤维与晶须等合成陶瓷基复合材料来强韧化陶瓷材料的研究取得了一些成果,但增韧幅度不大.由于碳纳米管特殊的结构和优异的性能,合成碳纳米管增强的复合材料,已经在高分子基、金属基的材料中取得了显著的效果[2].目前,国内外对于碳纳米管增强高分子基复合材料的研究已经较系统,但碳纳米管增强陶瓷基复合材料的研究刚起步.本文对碳纳米管增强陶瓷基复合材料的制备(主要包括碳纳米管在基体上的分散和材料的烧结成型),复合材料的力学性能、物理性能的改善以及强韧化机理进行了评述,对研究中存在的问题进行了分析.表1　纤维材料的性能比较纤维直径/μm密度/(g・cm-3)拉伸强度/GPa弹性模量/GPa碳纳米管01001～0111133～212010～52400～5000碳纤维71166214～311120～170玻璃纤维72150314～41690尼龙纤维12114421870～170硼纤维100～1402150315400石英纤维9212031470碳化硅纤维10～202130218190碳化硅晶须0100231156194821　碳纳米管在陶瓷基体上的分散 碳纳米管比表面积大,表面能高,碳管之间以较强的范德华力团聚在一起,尤其是有机物催化裂解法制备的碳纳米管经常弯曲缠绕在一起.此现象的产生将会减小碳纳米管的长径比,影响碳纳米管增强复合材料的增强效果.因此,如何将碳纳米管引入并均匀分散在基体上非常关键,碳纳米管的引入方式有原位自生法和外加混入法两种.111　原位自生碳纳米管Peigney等首先在A l2O3粉末基体上通过催化反应(Catalytic Method)[3]原位生长出碳纳米管网状束,发现在粉末中碳纳米管长约几十微米呈网络状较均匀的分布在粉末颗粒周围,经热压烧结后碳纳米管量比粉末中有所减少.Ka malakaran 等报道采用喷雾热解工艺[4]在A l2O3基体上原位生长了碳纳米管,发现纳米管在基体上分布很均匀,样品为2～4c m2的薄片,而且此种工艺还可优化制备出碳纳米管原位增强的陶瓷薄膜.Rul等采用凝胶泡沫法[5]在Co-Mg A l2O4氧化物固溶体基体上原位自生了碳纳米管,发现此种工艺碳纳米管产量很高,而且70%以上为单壁碳管, 95%以上为单壁和双壁碳纳米管;他们还在尖晶石(Mg A l2O4)基体上通过CCVD[6]的方法原位生长了碳纳米管,发现原位自生的碳纳米管非常均匀的分布在基体上.112　外加混入碳纳米管11211　物理分散法物理分散法指利用物理作用力将碳纳米管分散开,包括超声波法,球磨法,研磨法,高速剪切法等.但有学者认为物理方法只能分开碳纳米管的团聚体,而且会破坏碳纳米管[7];超声波法会使纳米管变短,随着分散时间延长碳管外壁会剥落,导致管壁变薄[8],而且只能够分散单一的团聚体,不能分散大团聚体[9];球磨和研磨等物理方法只能够将碳纳米管大块的团聚体分散成为小团聚体[9].清华大学L i等[10]对碳纳米管与颗粒尺寸为1μm铁粉混合进行了不同时间的震动球磨处理,磨球为直径不一的钢球,发现球磨15m in,许多碳纳米管端头破坏,而且有许多巴基葱颗粒出现,高能球磨60m in后,大部分碳纳米管变成了无定形碳,铁粉可以看作微小的磨球,其加入促进了碳纳米管的结构转变.11212　化学分散法化学分散法是指利用表面活性剂、表面改性剂或表面功能化来改变碳纳米管的表面能,提高其润湿或粘附特性,降低其在连续溶剂中的团聚倾向.(1)酸处理:采用浓H2S O4/HNO3混合溶液酸处理可以将碳纳米管完全分散开,原因是碳纳米管在酸处理过程中会变短而且增加亲水性官能团如羟基官能团等[9];如果采用浓硝酸处理后,碳纳米管的长度变短,管身变直,管壁上有—OH,>C—O和—COOH功能性官能团吸附,碳管在溶液中分散很均匀[11].Shaffer等也发现通过对催化裂解生长的碳纳米管进行酸氧化处理(HNO3:H2S O4=1:3)会给纳米管表面增加酚基和羟基官能团,这些官能团的存在可以使碳管以较高的浓度在水中稳定分散[12].(2)添加表面活性剂:添加表面活性剂如次乙亚胺(Ethyleni m ine)或者十二烷基硫酸钠(S DS)可以将碳纳米管在水溶液中均匀分散,通过溶胶杂凝聚的工艺,由于不同成分间静电相互作用,可以得到氧化钛和氧化铝颗粒包覆的碳纳米管[13];添加聚乙烯胺和阴离子柠檬酸于水溶液中作为分散剂对碳纳米管表面进行改性处理,然后在NH3中热处理,金纳米粒子可以吸附并填充到纳米管上表面和内部[14].在酒精溶液中添加20d mb%的共聚物作为分散剂可以成功的将110wt.%多壁碳纳米管均匀的分散开[15];在水・661・材　料　科　学　与　工　艺 第14卷　中添加溴化十六烷基三甲铵(C 16T MAB )或聚丙烯酸(P AA )或C 16EO 作为分散剂都可以将碳纳米管均匀分散开,但不可能得到绝对的均匀[16].研究发现,添加阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠和阳离子表面活性剂柠檬酸铵都可以将碳纳米管较均匀的分散在水溶液中,阴、阳离子表面活性剂均以纳米颗粒的形式均匀的吸附在碳纳米管的表面上,如图1所示.图1　碳纳米管表面活化后的TE M 形貌11213　物理化学分散法物理化学分散法是将物理方法,如超声波法、球磨法等,与化学方法,如酸处理、添加表面活性剂等进行组合,以期达到将纳米管更加均匀分散在基体上的目的.采用添加表面活性剂与超声波振荡和球磨工艺结合,可将碳纳米管较均匀的分布在纳米WC /Co 粉末中[17].2　碳纳米管增强陶瓷基复合材料的烧结成型 碳纳米管增强陶瓷基复合材料大部分采用烧结成型,通常制备纳米陶瓷材料和陶瓷基复合材料的工艺均可以用于制备碳纳米管增强陶瓷基复合材料,但烧结气氛必须是真空或惰性气体保护,以防止碳纳米管的氧化,碳纳米管在陶瓷烧结后组织中的存活状况非常重要.(1)热压烧结:热压烧结是最常用的一种制备碳纳米管增强陶瓷基复合材料的烧结工艺,采用热压烧结工艺所制备的碳纳米管增强的复合材料有Si C,Si O 2,A l 2O 3,Fe -A l 2O 3,Fe /Co -Mg A l 2O 4,Co -Mg O 基等材料[18～22],复合材料的性能均有所提高但不大.(2)烧结-热等静压:Balazsi 等采用烧结-热等静压(Sinter -H I P )烧结工艺制备了多壁碳纳米管增强Si 3N 4基复合材料,复合材料的弯曲强度和弹性模量均有可观的提高[23].(3)放电等离子烧结:放电等离子烧结(Spark Plas ma Sintering,简称SPS )是近年来发展起来的一种新型的烧结工艺,该系统利用脉冲能、放电脉冲压力和焦耳热产生的瞬时高温场来实现烧结过程,它在粉末之间能瞬时产生放电等离子体,使被烧结体内部每个颗粒均匀的自身发热,并且使颗粒表面活化更易于烧结;同时,烧结时在样品两端施加轴向压力,可以使烧结体更加致密和烧结温度降低.可以在极快的升温速度、低的烧结温度、极短的保温时间、较高的烧结压力下制得致密的块状纳米材料.有学者认为采用热压烧结工艺制备碳纳米管增强陶瓷基的复合材料,由于所需的烧结温度较高,保温时间较长,会对复合材料中的碳纳米管造成破坏,因此会降低甚至会丧失增韧效果[24].放电等离子烧结是非常有发展前景的制备碳纳米管增强陶瓷基复合材料的工艺.(4)其他工艺:Peigney 等采用高温挤压成型制备了碳纳米管增强金属氧化物复合材料,发现由于碳纳米管的引入,复合材料的超塑性成型更易进行,碳纳米管抑制了基体晶粒长大,并具有润滑介质的作用.研究发现,将碳纳米管在陶瓷材料基体上定向排列是可能的,通过控制碳纳米管的含量来调制纳米复合材料的导电性能[22].3　碳纳米管增强陶瓷基复合材料的性能改善 将碳纳米管添加到陶瓷材料基体上,由于碳纳米管的分散程度和制备工艺的差别,导致复合材料的力学性能提高不一,有的甚至降低.除了力学性能外,碳纳米管增强陶瓷基复合材料的物理性能,如导电性能、导热性能均有较大的改善.311　力学性能1998年清华大学Ma 等首先尝试了在纳米Si C 陶瓷的基体上添加多壁碳纳米管,其断裂韧性仅提高了10%[18].Flahaut 等通过在Fe -A l 2O 3基体上原位生长碳纳米管,使复合材料的断裂强度比氧化铝稍有提高,但比Fe -A l 2O 3降低很多,其断裂韧性比纯氧化铝有所降低或相近[25].2001年Siegel 等报道在氧化铝基体上添加10vol%的多壁碳纳米管,其断裂韧性比纯氧化铝提高了24%[26].2003年Nature 发表了华人Zhan 等[24]的研究结果,他们在纳米A l 2O 3基体上添加10vol%的单壁碳纳米管,于1150℃放电等离子烧结(SPS )3m in 得到的复合材料的维氏硬度达到了・761・第2期沈　军,等:陶瓷/碳纳米管复合材料的制备、性能及韧化机理1611GPa,断裂韧性K I C达到了917MPa・m1/2,约为单纯纳米氧化铝材料的3倍,为迄今增韧效果最佳的报道.Balazsi等研究了碳纳米管与碳纤维、碳黑和石墨复合Si3N4陶瓷的增韧效果,发现Si3N4-CNTs的力学性能比其他碳材料如碳纤维、碳黑和石墨复合Si3N4提高了15%～37%[23].An等对A l2O3-CNTs复合材料的摩擦学特性进行了研究,发现添加4wt%以内的碳纳米管可以提高材料的耐磨性能[27].2004年中科院上硅所N ing等在Si O2添加5vol%的多壁碳纳米管,由于碳纳米管较均匀的分散,添加了5v ol.%的碳纳米管的Si O2弯曲强度和断裂韧性分别提高了88%与146%,而不添加分散剂的5v ol.%CNTs-Si O2复合材料的力学性能提高较少[16].我课题组采用放电等离子烧结工艺制备了纳米WC-Co-CNTs复合材料,研究发现复合材料的硬度和断裂韧性可以同时提高,硬度和断裂韧性比不添加碳纳米管的纳米WC-Co硬质合金分别提高了17%和35%[17],起到了强韧化效果. 312　物理性能单壁纳米碳管的室温纵向电导率达106S/m, Zhan等后续的研究结果表明,S WCNT/A l2O3的导电性能随着碳纳米管含量的增加而提高, 15vol%S WCNT/A l2O3的导电率达3345S/m[28]. Flahaut碳纳米管可以使其由绝缘体变为导体,电导率在012～410S/m,电导率的值与组织中碳纳米管的破坏程度有关,当管结构完全破坏时,就不再导电[29].单独一根多壁纳米碳管的室温热导率预计达3000W/mK,单独一根单壁碳纳米管室温热导率达6000W/mK,而单壁碳纳米管束的室温热导率大于200W/mK[30],碳纳米管被认为是目前世界上最好的导热材料.N ing等随后的研究发现在Si O2的基体上添加碳纳米管,材料的热扩散系数和热导率随着碳纳米管的含量的增加而增大,在650℃含10vol%碳纳米管的Si O2的热扩散系数和导热率分别提高了1613%和2016%[31].4　碳纳米管增强陶瓷基复合材料的强韧化机理 有关研究发现,在碳纳米管增强纳米陶瓷基复合材料中,碳纳米管可以在一定程度抑制纳米陶瓷晶粒长大,并促进陶瓷致密度的提高,使材料强度提高.Zhan等在单壁纳米碳管增强纳米氧化铝基复合材料中,发现碳纳米管包围在纳米氧化铝晶粒周围,有效地抑制了晶粒的长大[24].中科院金属所的钟等在碳纳米管增强纳米铝基复合材料制备过程中发现碳纳米管具有阻止纳米A l晶粒长大的作用[32].碳纳米管的引入会与基体产生界面反应,清华大学Xu等[33]发现,A l/CNTs复合材料的界面形成了A l C和A l C2脆性碳化物,消弱了界面的结合强度.浙江大学吴等[34]对含有微量碳纳米管的纳米WC-Co硬质合金做了初步研究,发现碳纳米管与WC粒子形成了W-C化学键,强化了界面结合.我课题组对纳米WC-Co-CNTs硬质合金材料的研究表明,添加适量的碳纳米管在纳米WC-Co基体上,在烧结过程中碳纳米管可以填充显微空隙,以及碳纳米管的添加引起合金中碳含量的稍微提高,致使液相量增加从而促进了烧结致密化进程;碳纳米管与WC晶界相互作用可以一定程度上抑制纳米WC的晶粒长大,所以材料的硬度和韧性同时提高[17].对于微米级纤维复合的陶瓷材料,增韧机理有桥联增韧,裂纹偏转增韧,拔出效应.Ma认为在纳米Si C-10%CNTs中断裂韧性提高是由于碳纳米管的裂纹偏转和拔出效应造成的[18].N ing报道碳纳米管增强Si O2复合材料中桥联、裂纹偏转和拔出效应都起作用[19].Zhan[24]发现:纳米A l2O3 -10vol%S WCNTs复合材料的裂纹扩展路径仍然呈沿晶断裂,没有发现桥联和拔出现象,认为碳管拔出是由于碳管与基体结合不牢固造成的,他认为其性能大幅度提高是由于单壁碳纳米管比多壁管力学性能和结构更加优异,单壁碳管呈网络状连续的环绕在纳米氧化铝晶粒周围造成了裂纹的偏转,增韧如图2所示,箭头所指为碳纳米管;放电等离子烧结的低温短时没有造成单壁碳纳米管的破坏等原因引起的.Xia等[35]在氧化铝基体上原位定向生长了多壁碳纳米管,制备出20μm和90μm厚的涂层材料,经纳米硬度计和扫描电镜分析发现,在微米级纤维增强的陶瓷基复合材料中的增韧机制,在碳纳米管增强陶瓷基复合材料中仍然都存在,而且呈现了新的机制,碳纳米管在图2　单壁碳纳米管增强纳米氧化铝基复合材料・861・材　料　科　学　与　工　艺 第14卷　剪切带附近产生倒塌而不产生裂纹,说明此材料具有多向破坏承受能力,三维有限元分析表明,碳纳米管增强的氧化铝陶瓷基复合材料基体上的残余应力达300MPa,提高了材料的工程使用性能.对放电等离子烧结制备的纳米WC-Co-CNTs 复合材料的增韧机理初步研究发现,烧结后碳纳米管仍然存活在组织中,断裂面上存在着碳纳米管桥联和拔出增韧现象[17].5　研究中存在的问题1)碳纳米管在基体上分散效果和状态直接影响复合材料的性能提高,原位自生法与外加混入法相比,能够得到纳米管在基体上更加均匀的分布,但技术设备要求高.迄今为止,如何将碳纳米管在不破坏或少破坏其完美结构的前提下非常均匀的分散到陶瓷材料基体上,仍有待深入研究.2)烧结成型是碳纳米管增强陶瓷基复合材料制备过程中的最后也是关键的一步,保证碳纳米管在组织中的存活十分重要.低温、短时、快速烧结工艺———放电等离子烧结,可以在保持碳纳米管在陶瓷组织中的完整性,较适合制备碳纳米管增强陶瓷基复合材料.但放电等离子烧结的内在烧结机制,以及碳纳米管复合的纳米材料在SPS工艺下的烧结动力学机理有待研究.3)采用碳纳米管复合陶瓷材料不仅可以改善材料的力学性能,还可以增加其功能特性,如导电性能、导热性能等,并且可以通过碳纳米管含量和排列方向的控制来对陶瓷材料的性能进行调制.碳纳米管还具有波吸收特性、场致发射性能等,制备高力学性能兼多功能化的陶瓷材料,碳纳米管是最理想的增强纤维选择.但目前碳纳米管较昂贵,如何大幅度地提高复合材料的性能,提高材料的性价比,并达到性能可预测、可控制,有待于深入研究.6　结　语 碳纳米管具有优异的力学性能,电学性能和导热性能等物理性能,极高的长径比以及独特的一维管状纳米结构,碳纳米管复合材料的研究已成为碳纳米管应用研究的重要方向和国内外的研究热点.引入碳纳米管来复合陶瓷材料有望进一步提高陶瓷材料的力学性能,同时增加其功能特性,实现结构功能一体化,并且通过对碳纳米管的排列和含量控制可以对陶瓷材料的性能进行调制.碳纳米管在陶瓷材料基体上的增强效果主要取决于碳纳米管在陶瓷材料基体上的分散程度,碳纳米管在组织中的存活,及碳纳米管与陶瓷基体的界面结合状态等因素.碳纳米管增强陶瓷基复合材料在纳米尺度上的成型、特性、破坏和强韧化机制的研究将大大丰富陶瓷材料的研究内容,并将为进一步拓宽陶瓷材料作为先进材料的应用范畴奠定基础.参考文献:[1]DA I H.Carbon nanotubes:opportunities and challenges[J].Surface Science,2002,500:218-241.[2]LAU K T,DAV I D H.The revoluti onary creati on of ne wadvanced materials2carbon nanotube composites[J].Composites:Part B,2002,33:263-277.[3]PE I G NEY A,LAURE NT Ch,ROUSSET A.Synthesisand characterizati on of alu m ina matrix nanocomposites containing carbon nanotubes[J].Key Engineering M a2 terials,1997,743-746:132-136.[4]K AMALAK ARAN R,LUP O F,GROBERT N.I n2situfor mati on of carbon nanotubes in an alu m ina2nanotube composite by s p ray pyr olysis[J].Carbon,2003,41:2737-2741.[5]RUL S,LAURE NT Ch,PE I G NEY A,et a l.Carbonnanotubes p repared in situ in acellular cera m ic by the gelcasting f oa m method[J].Journal of the Eur opean Ceram ic Society,2003,23:1233-1241.[6]RUL S,LEFE VRESCHL I CK F,C APR I A E,et a l.Per2colati on of single2walled carbon nanotubes in ceram ic matrix nanocomposites[J].Acta M aterialia,2004,52:1061-1067.[7]H I L D I N G J,GRULKE E A,Z HANG Z G,et a l.D is2persi on of carbon nanotubes in liquids[J].Journal ofD is per Sci Technol,2003,24(1):1-41.[8]LU K L,LAG O R M,CHE N Y K,et a l.M echanicalda mage of carbon nanotubes by ultras ound[J].Car2 bon,1996,34:814-816.[9]WANG Yao,WU Jun,W E I Fei.A treat m ent method t ogive separated multi2walled carbon nanotubes with high purity,high crystallizati on and a large as pect rati o[J].Carbon,2003,41:2939-2948.[10]L I Y B,W E IB Q,L I A NG J,et a l.Transfor mati on ofcarbon nanotubes t o nanoparticles by ball m illingp r ocess[J].Carbon,1999,37:493-497.[11]J I A Z,WANG Z,L I A NG J,et a l.Pr oducti on of shortmulti2walled carbon nanotubes[J].Carbon,1999,37:903-906[12]SHAFFER M S P,F AN X,W I N DLE A H.D is persi onand Packing of Carbon Nanotubes[J].Carbon,1998,36(11):1603-1612.[13]S UN J,G AO L.Devel opment of a dis persi on p r ocessf or carbon nanotubes in cera m ic matrix by heter ocoagu2lati on[J].Carbon,2003,41:1063-1068.・961・第2期沈　军,等:陶瓷/碳纳米管复合材料的制备、性能及韧化机理[14]J I A NG L,G AO L.Modified carbon nanotubes:an ef2fective way t o selective attach ment of gold nanoparticles[J].Carbon,2003,41:2923-2929.[15]Z HAO L,G AO L.Stability of multi2walled carbonnanotubes dis persi on with copoly mer in ethanol[J].Coll oids and Surfaces A,2003,224:127-134. 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提高催化剂稳定性的新方法研究随着现代科技的不断发展，越来越多的产业开始依赖于催化剂这一重要的技术手段。

然而，在催化剂的使用过程中，随着时间的推移和反应条件的不断变化，催化剂的稳定性问题逐渐凸显。

为了解决这一问题，各界学者也开始不断地突破自己，推陈出新，寻找提高催化剂稳定性的新方法。

接下来，本文将简要介绍其中的一些研究成果。

一、微观结构调控从分子层面上调控催化剂的微观结构，是提高催化剂稳定性的一种主要途径。

在这方面，杂原子掺杂是比较常见的一种方法。

研究表明，适量的氧原子可以有效地降低铜催化剂的比表面积，减少氧化反应的活性位点密度，从而大幅提高催化剂的稳定性。

此外，催化剂表面的电子结构也与稳定性密切相关。

例如，通过调节导带和禁带的位置，可以有效地促进或抑制催化剂表面的氧化还原反应，从而延长催化剂的使用寿命。

另外，最近，一些新的微观结构调控手段也取得了不错的效果。

例如，在催化反应过程中，晶格缺陷会导致催化剂的活性位点受到影响，而通过设计晶格缺陷，可以使催化剂更加稳定。

同时，通过合理地设计催化剂的流动性，提高催化剂的扩散应力也可以提高催化剂的稳定性。

二、界面调控将多种纳米颗粒结合成复合催化剂，可以通过界面调控来提高催化剂的稳定性。

这些复合催化剂由二维或三维的纳米材料构成，其界面结构具有不同的特性。

通过调控不同材料之间的接触方式和界面构建，可以增加催化剂的活性位点数量，从而提高催化效率和稳定性。

例如，近年来发展起来的浓缩-剪切法，可以通过控制碳纳米管和硫酸铜之间的相互作用，构建出复合催化剂。

对比单纯的硫酸铜催化剂，复合催化剂表现出更高的稳定性和活性。

三、改进反应条件改进反应条件也是提高催化剂稳定性的一种有效方法。

作为一种陈旧的工业催化剂，金属催化剂的应用已有近一个世纪的历史。

在此基础上，一些学者通过对催化反应条件的调整、改进和优化，试图寻找更加稳定的反应体系。

例如，一些研究表明，将反应前的催化剂加热至高温状态，并在反应结束后快速冷却，可以有效地防止催化剂的表面原子出现游离状态，从而增加催化剂的稳定性。

碳纳米管材料的力学性能分析碳纳米管作为一种新兴的纳米材料，具有独特的力学性能，引起了科学家们的广泛关注和研究。

在本文中，我将重点探讨碳纳米管材料的力学性能分析。

为了分析碳纳米管材料的力学性能，我们需要首先了解碳纳米管的结构。

碳纳米管由一个或多个层状的石墨烯卷曲而成，可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管两种类型。

单壁碳纳米管由一个石墨烯层卷曲而成，外径在1纳米到数十纳米之间；而多壁碳纳米管由多个石墨烯层卷曲而成，外径在数十纳米到数百纳米之间。

不同结构的碳纳米管具有不同的力学性能。

首先，我们来探讨碳纳米管的弯曲性能。

由于碳纳米管的结构特殊，其在外力作用下表现出了优异的弯曲能力。

科学家们通过实验和模拟研究发现，碳纳米管在弯曲过程中可以保持其原有的结晶质量，不会发生断裂或失去完整性。

这种优异的弯曲性能使得碳纳米管成为一种理想的纳米驱动装置的材料，例如纳米机械臂和纳米传感器等。

其次，我们来讨论碳纳米管的拉伸性能。

碳纳米管具有出色的力学强度和刚度，可以承受很高的拉伸应变。

实验和计算结果显示，单壁碳纳米管的拉伸强度可以达到几十giga帕斯卡，而多壁碳纳米管的拉伸强度甚至可以达到数百giga帕斯卡。

这种高强度的力学性能使得碳纳米管成为一种理想的增强材料，在纳米复合材料中有广泛的应用，例如强度提升的复合材料和高效能电池电极等。

此外，碳纳米管还具有优异的弹性性能和压缩性能。

由于碳纳米管的碳原子键长较短，碳纳米管具有较高的弹性模量。

实验表明，单壁碳纳米管的弹性模量可以达到几百到几千giga帕斯卡。

而且，碳纳米管在受到压缩应力的作用下，可以在一定程度上保持其结构的完整性。

这种杰出的弹性性能和压缩性能使得碳纳米管在纳米电子学和纳米机械领域有着广泛的应用潜力。

此外，碳纳米管还表现出了优异的热导性能和抗辐射性能。

由于碳原子之间的强共价键和长程有序结构，碳纳米管具有很高的热导率。

实验研究显示，碳纳米管的热导率可以达到几百到几千watt/m·K。

碳纳米管增强高分子复合材料的制备与力学性能研究引言近年来，随着科技的快速发展，高分子材料在工程领域中得到了广泛应用。

然而，高分子材料的力学性能存在着一定的局限性，难以满足特定工程需求。

为了克服这一问题，科研人员开始将纳米材料引入高分子基体，以提升其力学性能。

碳纳米管作为一种重要的纳米材料，被广泛应用于高分子复合材料中。

本文将重点探讨碳纳米管增强高分子复合材料的制备方法以及其在力学性能方面的研究。

制备方法碳纳米管增强高分子复合材料的制备方法多种多样。

其中一种常见的方法是机械混合法。

该方法通过将碳纳米管与高分子基体进行机械混合，使其均匀分散在基体中。

另一种方法是浸渍法，将高分子基体浸入含有碳纳米管的溶液中，通过溶剂挥发使碳纳米管沉积在基体表面。

除了机械混合法和浸渍法外，还有一些先进的制备方法，如原位聚合法和电沉积法。

原位聚合法将碳纳米管与高分子基体的单体混合，通过聚合反应将两者结合在一起。

电沉积法则通过施加电压，使碳纳米管在电极上沉积，进而与高分子基体结合。

这些方法能够实现更好的纳米管与高分子基体的结合，从而提高复合材料的力学性能。

力学性能研究碳纳米管的引入显著改善了高分子基体的力学性能。

首先，碳纳米管具有很高的强度和刚度，能够有效增强高分子材料的力学性能。

其次，碳纳米管的高表面积也能够提高复合材料的界面粘合强度，使纳米管与高分子基体之间的界面更加紧密，提高复合材料整体的强度。

在压缩力学性能方面的研究中，研究人员发现碳纳米管增强的高分子复合材料在压缩强度和压缩模量方面都有显著提升。

由于碳纳米管具有纳米级的尺寸，可以有效阻碍高分子基体中的位移和滑移，使复合材料在压缩加载下具有更好的整体稳定性。

此外，碳纳米管增强的高分子复合材料在拉伸力学性能方面也表现出卓越的性能。

研究人员发现，碳纳米管的引入能够显著提高复合材料的拉伸强度和拉伸模量。

这归功于碳纳米管的高强度和优异的刚度，使复合材料在受力时能够更好地分散应力，减少应力集中现象的发生。

碳纳米管改性纤维复合材料研究进展作者：范雨娇王海雷苑晓洁姜茂川王犇来源：《新材料产业》 2017年第6期文/ 范雨娇王海雷苑晓洁姜茂川王犇中航复合材料有限责任公司复合材料因其比强度、比模量高的特点在汽车、船舶、以及飞机制造工业得到了广泛应用。

但纤维增强复合材料具有各向异性的特点，其面内的抗拉强度与刚度较高，而层间性能较差。

碳纳米管( C N T s )超强的力学性能为改善复合材料层间性能提供了新途径。

纤维增强复合材料因为其比强度、比模量高以及质量轻的特点在汽车、船舶、以及飞机制造工业得到了广泛的应用。

但复合材料层板的性能存在着各向异性的特点，其面内的抗拉强度与刚度较高，而抗压缩性能以及层间性能较差。

例如复合材料层板吸收冲击载荷的能力十分有限，冲击后材料的性能会明显的下降，其原因是它的塑性较差并且界面相对薄弱。

界面决定载荷从基体向增强体传递的效率，对于复合材料强度特别是偏轴强度在一定程度上起到决定性作用；对于复合材料的损伤累积与裂纹传播历程起一定影响。

因而改善纤维复合材料层间性能也是提高复合材料综合性能的有效途径。

C N T s是新型功能材料，具有大的长径比、超高的强度和模量、韧性好、密度低、更兼具特殊的电子学性质，是复合材料的优秀改性剂和理想的功能、增强材料。

其超强的力学性能可以极大地改善聚合物基复合材料的强度和韧性。

相比于传统纤维，碳纳米管与树脂之间的应力传递效率要高出传统纤维10倍。

并且碳纳米管具有各向同性的特点。

因此，在传统复合材料中引入碳纳米管，借助其优良的力学性能、大长径比、各项同性等特点，成为了改善传统复合材料层间性能的有效途径。

碳纳米管存在于裂纹前缘还可以通过架桥作用、碳纳米管的断裂以及碳纳米管的拔出吸收能量以减缓裂纹的扩展。

从而提高其层间的断裂韧性以及使其具有一定的功能性。

目前碳纳米管改性纤维复合材料的方法可分为以下3类：通过碳纳米管对于树脂基体的改性，改善复合材料的力学性能；通过碳纳米管对于纤维进行改性，从而增加纤维与树脂界面性能以及层间性能，从而综合提高复合材料的性能；通过碳纳米管对于预浸料进行改性，从而改善复合材料的层间韧性及其他性能。

碳纳米管增强复合材料的力学性能研究复合材料是由两种或多种不同类型的材料通过一定的加工方式组合在一起而成，其中一种被称为增强相，另一种则称为基质相。

碳纳米管（Carbon Nanotube，简称CNT）作为一种新型的增强相材料，因其出色的力学性能而受到广泛关注。

本文将重点探讨碳纳米管增强复合材料的力学性能，并评估其潜在应用。

1. 碳纳米管的结构与性质碳纳米管是由由一个或多个由碳原子构成的六角截面的圆柱体组成的纳米级管状结构。

碳纳米管具有极高的比强度和比刚度，同时具有优良的导电性和导热性。

这些特性使得碳纳米管成为增强复合材料理想的增强相材料。

2. 碳纳米管增强复合材料的制备方法碳纳米管可以通过化学气相沉积、热解石墨和碳化物等方法制备得到。

在制备碳纳米管增强复合材料时，一般将碳纳米管与基质相材料进行混合，通过化学反应、传统制备方法或纳米级的加工方法使其形成复合材料。

3. 碳纳米管在普通复合材料中的作用由于碳纳米管的高比强度和高比刚度特性，将其引入普通复合材料中可以显著提高材料的力学性能。

碳纳米管的加入可以增加复合材料的强度、刚度和韧性，同时降低其密度。

这些改善的力学性能使得碳纳米管增强复合材料在结构材料、航空航天和汽车工业等领域具有广泛的应用前景。

4. 碳纳米管与基质相的界面碳纳米管与基质相之间的界面是影响复合材料力学性能的关键因素。

良好的界面相互作用可以有效地传递应力，提高复合材料的强度。

一些技术，如化学修饰和表面涂覆处理，已经被应用于改善碳纳米管与基质相之间的界面结合性能。

5. 碳纳米管增强复合材料的力学性能评价方法评价碳纳米管增强复合材料的力学性能通常涉及拉伸、压缩和弯曲等力学测试。

通过这些测试，可以了解复合材料的强度、刚度、韧性和疲劳性能等关键力学指标。

此外，还可以使用纳米力学测试方法研究碳纳米管在复合材料中的局部机械性能。

6. 碳纳米管增强复合材料的应用前景由于碳纳米管增强复合材料的出色力学性能和广泛的应用领域，它已经被广泛研究并应用于结构材料、电子器件、能源存储和传感器等领域。

碳纳米管增强尼龙六复合材料的工艺设计碳纳米管（Carbon Nanotubes，简称CNTs）是一种具有优异力学性能和导电性能的纳米材料，被广泛应用于复合材料领域。

尼龙六作为一种常见的工程塑料，具有良好的力学性能和耐磨性，但其导电性较差，因此将碳纳米管与尼龙六复合可以有效提高尼龙六的导电性能和力学性能。

本文将探讨碳纳米管增强尼龙六复合材料的工艺设计。

确定碳纳米管的添加量。

适量的碳纳米管可以有效提高复合材料的力学性能和导电性能，但添加过多会导致复合材料的加工性能下降。

因此，在工艺设计中需要通过实验确定最佳的碳纳米管添加量，以达到最佳的综合性能。

选择合适的碳纳米管预处理方法。

碳纳米管表面往往存在氧化物等杂质，需要通过酸洗、改性等方法进行预处理，以提高碳纳米管与尼龙六基体的界面结合强度，从而提高复合材料的力学性能。

再者，优化尼龙六的制备工艺。

尼龙六作为基体材料，其制备工艺对复合材料的性能有重要影响。

可以通过控制尼龙六的熔体温度、挤出速度等工艺参数，使其与碳纳米管均匀混合，确保复合材料具有良好的力学性能和导电性能。

采用适当的增强方法。

除了碳纳米管外，还可以引入纳米颗粒、纤维等其他增强材料，通过多种增强方法的组合，进一步提高复合材料的性能，实现多功能化设计。

进行复合材料的性能测试。

在确定了合适的碳纳米管添加量、预处理方法和工艺参数后，需要对复合材料进行力学性能、导电性能等方面的测试，验证设计的有效性，并进一步优化复合材料的性能。

碳纳米管增强尼龙六复合材料的工艺设计涉及碳纳米管添加量、预处理方法、尼龙六制备工艺、增强方法和性能测试等多个方面。

通过合理设计和优化，可以制备出具有优异力学性能和导电性能的碳纳米管增强尼龙六复合材料，拓展其在领域的应用范围，为工程实践提供重要参考。

碳纳米管复合材料碳纳米管是一种由碳原子构成的纳米材料，具有极高的强度和导电性能。

碳纳米管复合材料是将碳纳米管与其他材料结合而成的复合材料，具有优异的性能和广泛的应用前景。

本文将从碳纳米管的特性、制备方法、以及在复合材料中的应用等方面进行介绍。

首先，我们来了解一下碳纳米管的特性。

碳纳米管具有极高的比表面积和机械强度，同时具有优异的导电性和导热性能。

这使得碳纳米管在复合材料中具有很大的优势，可以显著提高复合材料的力学性能和导电性能。

此外，碳纳米管还具有良好的化学稳定性和耐腐蚀性，能够在恶劣的环境下保持稳定的性能。

其次，我们来看一下碳纳米管复合材料的制备方法。

目前，制备碳纳米管复合材料的方法主要包括物理混合法、化学还原法和原位合成法等。

物理混合法是将碳纳米管与其他材料进行机械混合，然后通过热压或注塑等工艺将其制备成复合材料。

化学还原法则是利用化学方法将碳纳米管与其他材料进行还原反应，形成复合材料。

原位合成法则是在制备过程中直接在碳纳米管上合成其他材料，形成复合材料。

这些方法各有优缺点，可以根据具体的应用需求选择合适的方法。

最后，我们来讨论一下碳纳米管复合材料在各个领域的应用。

碳纳米管复合材料在航空航天、汽车制造、电子设备、医疗器械等领域都有着广泛的应用。

在航空航天领域，碳纳米管复合材料可以制备轻质高强度的结构材料，用于制造飞机、卫星等航天器件。

在汽车制造领域，碳纳米管复合材料可以制备高强度、耐磨损的汽车零部件，提高汽车的安全性和耐久性。

在电子设备领域，碳纳米管复合材料可以制备柔性电子材料，用于制造柔性显示屏、柔性电池等产品。

在医疗器械领域，碳纳米管复合材料可以制备生物相容性良好的材料，用于制造人工骨骼、人工关节等医疗器械。

总之，碳纳米管复合材料具有优异的性能和广泛的应用前景，将在未来得到更广泛的应用。

随着制备技术的不断进步和应用领域的不断拓展，碳纳米管复合材料将为人类社会带来更多的惊喜和便利。