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关于碳纳米管的研究进展1、前言1985年9月，Curl、Smally和Kroto发现了一个由个60个碳原子组成的完美对称的足球状分子，称作为富勒烯。
这个新分子是碳家族除石墨和金刚石外的新成员,它的发现刷新了人们对这一最熟悉元素的认识,并宣告一种新的化学和全新的“大碳结构”概念诞生了。
之后,人们相继发现并分离出C70、C76、C78、C84等。
1991年日本的Iijima教授用真空电弧蒸发石墨电极时,首次在高分辨透射电子显微镜下发现了具有纳米尺寸的碳的多层管状物—碳纳米管。
年,日本公司的科学家和匆通过改进电弧放电方法,成功的制备了克量级的碳纳米管。
1993年，通过在电弧放电中加入过渡金属催化剂,NEC和IBM研究小组同时成功地合成了单壁碳纳米管；同年，Yacaman等以乙炔为碳源，用铁作催化剂首次针对性的由化学气相沉积法成功地合成了多壁碳纳米管。
1996年,我国科学家实现了碳纳米管的大面积定向生长。
1998年,科研人员利用碳纳米管作电子管阴极同年,科学家使用碳纳米管制作室温工作的场效应晶体管;中国科学院金属研究所成会明研究小组采用催化热解碳氢化合物的方法得到了较高产率的单壁碳纳米管和由多根单壁碳纳米管形成的阵列以及由该阵列形成的数厘米长的条带。
1999年,国的一个研究小组制成了碳纳米管阴极彩色显示器样管。
2000年,日本科学家制成了高亮度的碳纳米管场发射显示器样管。
2001年,Schlitter等用热解有纳米图形的前驱体,通过自组装合成了单壁碳纳米管单晶,表明已经可以在微米级制得整体材料的单壁碳纳米管,并为宏量制备指出了方向。
2、碳纳米管的制备方法获得大批量、管径均匀和高纯度的碳纳米管,是研究其性能及应用的基础。
而大批量、低成本的合成工艺是碳纳米管实现工业化应用的保证。
因此对碳纳米管制备工艺的研究具有重要的意义。
目前,常用的制备碳纳米管的方法包括石墨电弧法、化学气相沉积法和激光蒸发法。
一般来说,石墨电弧法和激光蒸发法制备的碳纳米管纯度和晶化程度都较高,但产量较低。
碳纳米管增强金属基复合材料的力学性能研究近年来，碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs）作为一种新型纳米材料，引发了广泛的研究兴趣。
由于其优异的力学性能和独特的结构，碳纳米管成为改善传统材料性能的理想增强剂。
本文旨在探讨碳纳米管增强金属基复合材料在力学性能方面的研究现状和发展趋势。
首先，碳纳米管作为增强剂，可以显著改善金属基材料的强度和硬度。
研究证实，当碳纳米管掺杂在金属基复合材料中时，由于其高强度和刚度，可以有效抵抗金属晶粒的滑移和扩散，从而提高材料的抗拉强度和屈服强度。
同时，碳纳米管还能增加复合材料的硬度，因为其针状结构可阻碍位错的运动，从而使材料更难发生塑性变形。
其次，碳纳米管对金属基复合材料的韧性和断裂韧度也有显著的影响。
相比于纯金属材料，碳纳米管可以增加复合材料的断裂韧度。
这是因为碳纳米管具有高强度和高韧性的特点，能够吸收和分散外载荷，在复合材料中形成桥梁效应，提高其韧性。
此外，由于碳纳米管材料表面的高能位缺陷，能够吸附并扩散裂纹的尖端，进一步抑制裂纹的扩展速率，从而提高复合材料的断裂韧度。
不仅如此，碳纳米管还可以提高金属基复合材料的疲劳寿命和耐蚀性。
由于其高强度、高模量和良好的润湿性，碳纳米管可以抵抗金属表面的应力腐蚀和疲劳裂纹扩展，延长金属基复合材料的使用寿命。
同时，碳纳米管还能够吸附和吸收金属表面的有害离子和分子，提高复合材料的耐腐蚀性能。
然而，在实际应用中，碳纳米管增强金属基复合材料还面临一些挑战。
首先，碳纳米管的分散性是影响复合材料力学性能的重要因素。
碳纳米管的高表面能使其易于团聚，在复合材料中形成团簇，导致性能不稳定。
因此，如何实现碳纳米管在金属基复合材料中的均匀分散是当前亟待解决的课题。
此外，碳纳米管与金属基材料之间的界面相互作用也是影响复合材料性能的关键因素之一。
界面的相容性和结合强度直接影响复合材料的力学性能。
寻找合适的界面改性方法和结构设计，以增加碳纳米管与金属基材料之间的结合力，实现优化的界面效果，是进一步提高复合材料性能的重要课题。
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。
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。
碳纳米管的制备方法研究进展一、本文概述随着纳米科技的飞速发展，碳纳米管作为一种具有独特结构和优异性能的一维纳米材料，受到了广泛关注。
碳纳米管因其出色的电学、力学、热学等特性，在能源、电子、生物医疗等领域具有巨大的应用潜力。
然而，碳纳米管的规模化制备及其性能优化仍是当前研究的热点和难点。
本文旨在综述近年来碳纳米管制备方法的研究进展，分析不同制备方法的优缺点，探讨未来可能的发展方向，以期为推动碳纳米管的实际应用提供理论支持和技术指导。
文章首先回顾了碳纳米管的基本结构和性质，为后续研究方法的介绍奠定基础。
随后，重点介绍了化学气相沉积法、电弧放电法、激光烧蚀法等多种碳纳米管制备方法的研究进展，分析了这些方法在制备过程中的关键因素及其对碳纳米管性能的影响。
文章还关注了新兴制备方法如溶液法、模板法等在碳纳米管制备中的应用，以及这些方法的创新点和挑战。
通过对已有文献的梳理和评价，本文总结了当前碳纳米管制备领域的主要成果和不足，展望了未来的发展趋势。
未来，随着科学技术的不断进步，碳纳米管的制备方法将更加多样化、高效化，有望为碳纳米管的产业化发展奠定坚实基础。
二、碳纳米管的基本性质碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNTs）是一种由碳原子以特定方式排列形成的一维纳米材料，自从1991年被首次发现以来，因其独特的结构和性质，已成为纳米科学和技术领域的研究热点。
碳纳米管的基本性质主要体现在其结构、电学、热学和力学性能上。
结构上，碳纳米管可以看作是由单层或多层石墨烯片卷曲而成的无缝管状结构，这种独特的结构赋予了碳纳米管出色的物理和化学性质。
电学方面，碳纳米管因其特殊的电子结构和量子限域效应，表现出优异的导电性能，既可以是金属性，也可以是半导体性，这取决于其直径和螺旋度。
热学方面，碳纳米管具有极高的热导率，使其成为潜在的散热材料。
力学性能上，碳纳米管具有超高的强度和模量，比钢强而轻，这使得它在复合材料增强和纳米机械等领域具有广阔的应用前景。
碳纳米管增强复合材料的力学性能研究碳纳米管是一种由碳原子构成的纳米材料，具有优异的力学性能和导电性。
随着科技的不断发展，研究人员越来越关注如何利用碳纳米管来增强复合材料的力学性能。
在本文中，我们将探讨碳纳米管增强复合材料的力学性能研究。
首先，我们需要了解碳纳米管的特性以及其对力学性能的影响。
碳纳米管具有轻质、高强度和高刚度的特点，使其成为一种理想的增强材料。
当碳纳米管嵌入在复合材料基体中时，可以显著提高复合材料的强度和刚度。
此外，碳纳米管还具有良好的导电性，使得碳纳米管增强复合材料在电子器件等领域具有广泛的应用前景。
然而，为了更好地利用碳纳米管的增强效果，我们需要深入研究其与复合材料基体的相互作用机制。
近年来的研究表明，碳纳米管与复合材料基体之间的力学耦合效应是影响复合材料力学性能的重要因素之一。
因此，研究人员通过模拟和实验的方法，对碳纳米管增强复合材料进行力学行为的研究。
在模拟方面，研究人员通常利用分子动力学模拟、有限元分析等方法，对碳纳米管增强复合材料的力学性能进行预测和优化。
通过这些模拟方法，研究人员能够探究碳纳米管与复合材料基体之间的相互作用机制，了解复合材料在不同力学加载下的响应行为，并提出相应的改善策略。
另一方面，实验是验证模拟结果和理论分析的重要手段。
通过制备碳纳米管增强复合材料样品，并进行力学性能测试，研究人员可以直接观察和测量复合材料的力学行为。
例如，拉伸试验、压缩试验、弯曲试验等可以评估复合材料的强度、刚度和韧性等性能指标。
同时，扫描电子显微镜、透射电子显微镜等技术可以观察和分析复合材料中碳纳米管的分散状态和界面结构。
除了研究碳纳米管与复合材料基体之间的相互作用机制，我们还需要考虑制备工艺对复合材料力学性能的影响。
研究人员通过改变碳纳米管的添加方法、复合材料基体的制备过程等控制变量，来研究制备工艺对复合材料力学性能的影响。
例如，通过调整碳纳米管的浓度和分散剂对复合材料的性能进行优化。
碳纳米管增强聚合物复合材料的制备与性能研究简介：碳纳米管是一种具有优异力学性能和导电性的纳米材料，已被广泛应用于聚合物复合材料中。
本文旨在介绍碳纳米管增强聚合物复合材料的制备方法、性能研究与应用前景。
1. 碳纳米管的制备方法1.1 化学气相沉积法化学气相沉积法是目前最常用的碳纳米管制备方法之一。
通过控制反应温度、反应压力和催化剂的选择和浓度，可以获得不同直径、长度和结构的碳纳米管。
1.2 电弧放电法电弧放电法是碳纳米管制备的另一种常用方法。
通过在高温、高压的条件下，将碳电极电弧放电，生成包含碳纳米管的石墨颗粒。
随后，通过化学处理将碳纳米管分离出来。
1.3 碳纳米管纤维拉伸制备法碳纳米管纤维拉伸制备法通过对多股碳纳米管进行拉伸和整合，形成具有优异性能的连续纤维。
2. 碳纳米管增强聚合物复合材料的制备2.1 碳纳米管的表面改性为了增加碳纳米管与聚合物基体的相容性和界面结合强度，可以对碳纳米管进行表面改性。
常用的表面改性方法包括氧化、还原、聚合等。
2.2 碳纳米管的分散碳纳米管在聚合物基体中的均匀分散对于复合材料的性能至关重要。
常用的碳纳米管分散方法包括超声处理、表面活化剂包覆等。
2.3 聚合物基体的选择不同类型的聚合物基体对于碳纳米管增强复合材料的性能有重要影响。
常用的聚合物基体包括聚酰胺、聚酰亚胺、聚酯等。
2.4 制备工艺的优化通过调节制备工艺参数，如温度、压力和搅拌速度等，可以优化碳纳米管增强聚合物复合材料的结构与性能。
3. 碳纳米管增强聚合物复合材料的性能研究3.1 机械性能碳纳米管的引入可以显著提升聚合物复合材料的力学性能。
研究表明，适量添加碳纳米管可以提高复合材料的强度、刚度和韧性。
3.2 导电性能碳纳米管具有优异的导电性能，可以赋予聚合物复合材料良好的导电特性。
研究表明，适量添加碳纳米管可以显著提高复合材料的电导率和导电稳定性。
3.3 热稳定性碳纳米管的引入可以提高聚合物复合材料的热稳定性，延长其使用寿命。
碳纳米管聚合物复合材料的导电机理及其性能研究碳纳米管（CNT）聚合物复合材料是一种由碳纳米管与聚合物基体相互作用形成的新型材料。
在这种复合材料中，CNT作为导电填料，可通过其独特的电子输运机制提供高导电性能。
在本文中，我们将探讨碳纳米管聚合物复合材料的导电机理及其性能研究。
首先，我们来了解碳纳米管的电子输运机制。
碳纳米管是碳原子形成的管状结构，具有特殊的晶格结构。
这种结构使得电子在碳纳米管中以“量子通道”的形式传输，即只有在特定的能级上电子才能通过。
这种量子限制使得碳纳米管具有优异的导电性能，远远超过传统材料。
其次，我们将讨论碳纳米管与聚合物基体的相互作用。
碳纳米管的高表面积和独特的晶格结构使其能够与聚合物基体形成强力的相互作用。
这包括物理吸附、化学键和静电作用等。
通过这种相互作用，碳纳米管可以均匀分散在聚合物基体中，形成三维导电网络。
在导电机理方面，碳纳米管通过两种方式提供导电性能。
首先，碳纳米管通过与聚合物基体形成的连续网状结构，在复合材料中形成一个导电通道。
这种导电通道可以提供高导电性能，使得复合材料具有良好的导电性能。
其次，碳纳米管还可以通过在体积分数很低的情况下形成的电子传输途径来提供导电性能。
这是由于碳纳米管的高导电性能和导电路径的短距离等特点，使得电子能够快速地从碳纳米管中传输，从而形成良好的导电性能。
在性能研究方面，研究人员着重于探索不同形态的碳纳米管聚合物复合材料，并对其导电性能进行评估。
研究表明，碳纳米管的形态和含量对复合材料的导电性能有重要影响。
例如，采用短碳纳米管可以增加导电性能，因为短碳纳米管可以更好地分散在聚合物基体中，并形成更多的导电通道。
此外，通过控制碳纳米管的含量，可以调控导电性能，具有很大的灵活性。
总之，碳纳米管聚合物复合材料具有良好的导电性能，其导电机理与碳纳米管的特殊结构和与聚合物基体的相互作用密切相关。
通过对碳纳米管的形态和含量进行调控，可以进一步优化复合材料的导电性能。
国外碳纳米管复合材料研究现状碳纳米管自被发现以来，因其独特的结构和优异的性能，成为了材料科学领域的研究热点。
特别是在复合材料领域，碳纳米管的加入为材料性能的提升带来了新的契机。
国外在碳纳米管复合材料的研究方面取得了众多显著的成果，本文将对其进行详细阐述。
一、碳纳米管的特性碳纳米管具有极高的强度和韧性。
其强度可达到钢铁的数十倍，同时具有出色的柔韧性，能够承受较大的变形而不断裂。
此外，碳纳米管还具有优异的电学性能，电导率极高，可与金属相媲美。
良好的热学性能也是其特点之一，热导率高，散热效果好。
这些特性使得碳纳米管在复合材料中具有极大的应用潜力。
二、国外碳纳米管复合材料在不同领域的研究现状1、航空航天领域在航空航天领域，对材料的性能要求极为苛刻。
国外研究人员致力于将碳纳米管复合材料应用于飞机结构件中，以减轻重量并提高强度。
例如，美国的研究团队成功开发出了碳纳米管增强的碳纤维复合材料，用于飞机机翼的制造，不仅减轻了结构重量，还提高了抗疲劳性能和耐腐蚀性。
2、电子领域在电子领域，碳纳米管复合材料可用于制造高性能的电子器件。
日本的科研人员成功制备出了碳纳米管与半导体材料复合的薄膜，用于制造柔性显示屏，具有更高的分辨率和更低的能耗。
此外，碳纳米管复合材料还可用于制造高效的电池电极，提高电池的充放电性能和循环寿命。
3、能源领域能源领域也是碳纳米管复合材料的重要应用方向。
德国的研究小组开发出了碳纳米管与聚合物复合的质子交换膜，用于燃料电池中，提高了燃料电池的功率密度和稳定性。
在太阳能电池方面，国外研究人员将碳纳米管与光伏材料复合，提高了太阳能电池的光电转换效率。
4、生物医学领域在生物医学领域，碳纳米管复合材料具有广阔的应用前景。
美国的科研团队研发出了碳纳米管与生物活性分子复合的材料，用于药物输送和组织工程。
碳纳米管的高比表面积和良好的生物相容性，使得药物能够更有效地负载和释放，促进组织的修复和再生。
三、制备方法1、溶液共混法这是一种较为常见的方法，将碳纳米管和基体材料分散在溶剂中，通过搅拌、超声等手段使其均匀混合，然后去除溶剂得到复合材料。
碳纳米管增强尼龙六复合材料的工艺设计
碳纳米管增强尼龙六复合材料是一种新型的高性能材料，它具有优异
的机械性能、热稳定性和导电性能等特点。
本文将详细介绍碳纳米管
增强尼龙六复合材料的工艺设计。
1. 材料准备
首先，需要准备好碳纳米管和尼龙六树脂。
碳纳米管应选择质量较好、直径较小、长度适中的单壁碳纳米管。
尼龙六树脂应选择高分子量、
低熔点、低粘度的产品。
2. 碳纳米管预处理
为了提高碳纳米管与尼龙六树脂之间的相容性，需要对碳纳米管进行
预处理。
常用的方法有酸处理和表面修饰法。
其中酸处理法是比较简
单有效的方法，可以通过将碳纳米管浸泡在浓硝酸或浓硫酸中进行处理。
3. 复合材料制备
将预处理后的碳纳米管与尼龙六树脂混合均匀，然后通过注塑成型或
挤出成型等方法制备出复合材料。
在制备过程中需要控制好温度和压力等参数，以确保复合材料的性能稳定。
4. 性能测试
最后，需要对制备出的碳纳米管增强尼龙六复合材料进行性能测试。
常见的测试项目包括拉伸强度、弯曲强度、热稳定性和导电性等。
通过测试可以评估复合材料的机械性能和热稳定性等指标是否达到预期要求。
综上所述，碳纳米管增强尼龙六复合材料的工艺设计包括材料准备、碳纳米管预处理、复合材料制备和性能测试四个步骤。
在实际应用中需要根据具体要求进行调整和优化，以获得更好的性能表现。
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。
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 @.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。
1 碳纳米管的结构和形态碳纳米管是石墨管状晶体,是单层或多层石墨片围绕中心按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管,每一级纳米管是一个碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键和后所构成的六边形平面组成的圆柱面。
但是存在一定的曲率,其中也有一小部分碳属sp3杂化,其平面的六角晶胞边长为01246nm,最短的C—C键长为01142nm。
碳纳米管由于长径比特别大,从100～1000,可以被看作是准一维的量子线,由此产生量子物理效应。
图1 不同种类碳纳米管形态示意图[6](a)扶手椅型碳纳米管,(b)锯齿形碳纳米管,(c)手性型碳纳米管Figure1 The shape of various carbon nanotubes(a)arm chair,top,(b)zigzag,m iddle,(c)chiral,bottom若按层数分类[7]:碳纳米管可分为单壁碳纳米管(SWC NTs single walled carbon nanotubes)、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管(MWC NTs),其中多壁碳纳米管是由不同直径的同心单壁碳纳米管套装而成。
根据构成单壁碳纳米管(如图1所示)的石墨层片的螺旋性,可以将单壁碳纳米管分为非手性型(对称)和手性型(不对称)。
非手性型是指单壁碳纳米管的镜像图像同它本身一致。
有两种非手性型管:扶手椅型(armchair)和锯齿型(zig-zag),形象地反应了每种类型碳纳米管的横截面碳环的形状。
手性型管(chiral)则具有一定的螺旋性,它的镜像图像无法同自身重合。
2 碳纳米管的纯化和修饰211 纯化碳纳米管的制备方法有:电弧法、激光蒸发、气相催化生长、化学气相沉积、低温固态热解法、离子轰击生长法、太阳能法、电解法、聚合物制备法、原位催化法、爆炸法及水热合成法等。
电弧和激光蒸发技术由于碳源的限制,生产量小,产品必须经过纯化。
气相加工技术可以得到较少的杂质,适合于大规模生产,碳源可以持续地被流动的气体来代替,产品纯度高。
气相技术又有气相生长、化学气相沉积、等离子体化学气相沉积、微波等离子体化学气相沉积等。
气相技术制得的碳纳米管一般含有催化剂颗粒、无定形碳、多面体石墨纳米颗粒、类球体的富勒烯、离子等,在使用前需要对其进行提纯处理,以满足研究及应用要求。
纯化的方法有下列几种:气相氧化(大气氧化和氢化作用法)[8]、硝酸氧化[9,10]、氢氟酸氧化[11]、浓硫酸和浓硝酸的混合液氧化[12]、色谱法[13]、电泳法[14]、离心分离法[15]。
氧化法的缺点是在氧化其它杂质的同时,也有一些碳纳米管被完全氧化。
氧化法的优点是不需要特殊的试验装置,反应条件容易控制、简便、易行。
物理方法的缺点是较难提纯出纯净的碳纳米管。
212 修饰作为高聚物复合材料的增强和功能性材料的碳纳米管需要在基体中获得均匀分散[16,17]。
碳纳米管比表面积很大,极易团聚,很难分散,在基体中会形成应力集中物,不但起不到增强作用还会降低材料的强度及其它功能。
因此需要对纳米管进行适当的修饰和功能化处理,使其表面接枝多种官能团(羰基、羟基、羧基等),修饰后的碳纳米管易于分散,并可在制备复合材料时参与高分子材料的聚合反应。
修饰的方法有以下几种:(1)用浓硫酸和浓硝酸纯化修饰可以打断碳纳米管,使长度在150nm,使碳纳米管出现活性管端和侧壁活性,并在管壁上和管端连接上—C OOH,和—OH[12];(2)用浓硫酸和过氧化氢(30%)(4∶1)混合液也可在碳纳米管表面接枝上羧基和羟基[18,19];(3)前面(1)的修饰在室温下用亚硫酰氯酰化,羟基与甲醛反应形成—CHOH基团。
上述接枝上的羧基和羟基和异丙烯基二甲苯异氰酸酯反应可结枝2上乙烯基[20];(4)用等离子体可把—CH O、—NH2接枝到碳纳米管表面[21];(5)用臭氧氧化法可把羧基、芳基、奎宁、酯基等接枝到碳纳米管表面[22]。
3 尼龙Π碳纳米管复合材料的制备方法311 原位聚合法原位聚合法是利用碳纳米管表面的官能团参与聚合或利用引发剂打开碳纳米管的π键,使其参与聚合反应而达到与有机相的良好相容性。
用这种方法,贾志杰等用原位聚合法制得PM MAΠC NTs、PA6ΠC NTs 复合材料[23,24],发现碳纳米管与基体之间形成了良好的界面结合。
Haggenmueller等[25]用原位界面聚合的方法制备了PA6,6ΠSW NTs复合材料,单壁碳纳米管分别为纯化的、功能化修饰的、和表面活性剂稳定的三种,分别用红外、拉曼和TG表征了单壁碳纳米管的修饰情况,分散性用光学显微镜观察,结果显示功能化的碳纳米管和表面活性剂稳定的碳纳米管在溶剂里面的分散性都得到了提高,仅功能化的单壁碳纳米管在复合材料中显示了较好的分散性,纯化的和表面活性剂分散的单壁碳纳米管在复合材料中碳纳米管出现团聚,弱的剪切还导致了单壁碳纳米管的絮凝。
Zhao等[26]用原位聚合法制得了PA6Π多壁碳纳米管复合材料,分别用未经过处理的和羰基化的碳纳米管和己内酰胺原位聚合制备了PA6/C NTs复合材料,粘度测量显示加入015%的碳纳米管没有影响尼龙6的分子量,扫描电镜和透射电镜以及超小角X射线衍射显示MWC NTs和MWC NTs2C OOH在基体中均匀分散。
312 熔体共混法把碳纳米管与聚合物基体材料在基体材料的熔点以上熔融,并均匀混合而得到聚合物复合材料。
Sandler等[27]用双螺杆微型挤出机制备了多壁碳纳米管、碳纤维和PA12复合材料,混合纺丝产生了增强的聚合物纤维,比较了电弧和化学气相沉积技术制得的碳纳米管的分散性和产生的力学性能,催化生长的碳纳米管获得了均匀分散,定向和基体生长的碳纳米管获得了复合材料硬度的很大提高,缠绕的多壁碳纳米管导致了复合材料的屈服强度的很大提高,这可能是由于碳纳米管相当高的表面积导致了对聚合物的限制效应,这种方法也和纳米黏土和普通的短玻璃和碳纤维做填料进行了比较,实验结果进一步显示复合材料本身的结晶度和嵌入的碳纳米管的伸展的情况是影响复合材料增强性能的重要因素。
Z ou[28]等用熔融共混法制备了PPSΠPA66ΠMWC NTs复合材料,发现材料形貌由海岛结构变成了共连续的结构,在低添加量时,发现树枝状、网状结构构成了共连续的形貌,随着添加量的提高,孤立的MWC NTs凝聚,导致了海岛结构的形成。
从而说明多相聚合物的性质不仅取决于组成聚合物的性质,还取决于形成的结构形态。
313 其它方法Shao等[29]用s olid state shear milling方法把尼龙6和碳纳米管一起研磨,制备复合材料,由于强的界面作用,多壁碳纳米管被剪短,透射电镜显示研磨后碳纳米管被大幅剪短,去缠绕,变得较直并且端口被打开。
傅丽叶变换红外光谱和DSC分析显示复合材料中多壁碳纳米管和PA6有强的界面相互作用。
TG实验进一步证实了球摩以后30%的尼龙6和碳纳米管形成了强的结合力,扫描电镜显示了碳纳米管在基体尼龙6中的均匀分散。
K ang等[30]用两相界面聚合方法制备了均匀分散的PA610ΠMWC NTs复合材料,一相含有氯化癸酰,一相含有己二胺,这个过程包含用表面活性剂分散酸处理的水相,扫描电镜照片显示了单个的多壁碳纳米管均匀分散在尼龙610基体中。
贾志杰等[25]采用改进原位聚合法制得了PA6ΠC NTs、PM MAΠC NTs复合材料。
