碳纳米管增强金属基复合材料的研究与应用

收稿:2011-04-25;修回:2011-07-18;基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2009AA03Z528);

作者简介:邱军,男,工学博士,教授,博士研究生导师,研究方向为高性能聚合物基复合材料;E-mail:qiujun@.碳纳米管及碳纤维增强环氧树脂复合材料研究进展

邱　军,陈典兵

(同济大学材料科学与工程学院,先进土木工程材料教育部重点实验室,上海　201804)

摘要:碳纳米管与碳纤维具有优异的力学、电学等性能,广泛用做复合材料增强体,但目前碳纳米管/碳纤

维/环氧树脂复合材料的研究具有一定的局限性,只考虑了两相材料间的作用,即仅对单一相进行处理而忽略

了另一相的改性。本文从碳纳米管/碳纤维协同增强环氧树脂基体复合材料的思路入手,结合自己的研究成

果,综述了国内外相关研究进展。从研究结果可以看出,将三相材料之间完全有效地联系起来,发挥三者间的

协同效应,复合材料的性能可以发生质的飞跃。

关键词:碳纳米管;碳纤维;环氧树脂;三相复合材料

引言

日本科学家Iijima[1]在1991年首次发现碳纳米管(CNTs)。碳纳米管具有着优异的力学、电性能和

热性能,抗拉强度达到200GPa,弹性模量可达1TPa,并且具有低密度、高长径比等结构特点,因此成为聚

合物复合材料的理想增强材料。碳纤维(CF)具有十分优异的力学性能,同时耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗

疲劳、低热膨胀系数、导电导性、电磁屏蔽性优良等。碳纤维复合材料同样具有其它复合材料无法比拟的

优良性能,广泛应用于航空航天、汽车、电子电气等领域[2]。环氧树脂(EP)是一种高性能复合材料基体,

具有优良的机械性能、绝缘性能、耐腐蚀性能、黏接性能和低收缩性能。当前以环氧树脂为基体的高性能

复合材料应用广泛,碳纳米管/环氧树脂复合材料和碳纤维/环氧树脂复合材料凸显了优异的力学和综合

性能,那么如何再进一步提高这两类复合材料的性能呢?本文在简要综述碳纳米管和碳纤维对环氧树脂

碳纳米管的合成和应用

碳纳米管(Carbon Nanotubes, CNTs)是由纯碳构成的一种纳米材料，以其独特的物理和化学性质，在材料科学、生物医学等众多领域都有重要的应用和研究价值。本文将从碳纳米管的合成方法、结构特征以及应用等方面进行讨论。

一、碳纳米管的合成方法

碳纳米管最早是由日本科学家Sumio Iijima于1991年发现，并提出了一种制备碳纳米管的方法——电弧放电法。该方法是通过电弧放电在高温下制备，得到的碳纳米管平均直径为10-20nm。随后，人们发现在碳纳米管形成的高温条件下，化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition, CVD)也可以用来合成碳纳米管。通过CVD法合成的碳纳米管平均直径可以达到数纳米级别。

此外，离子束辅助CVD、体积扩散法、等离子炮击法等方法也被用来合成碳纳米管。这些方法各有优缺点，可以根据具体应用需求选择合适的方法。

二、碳纳米管的结构特征

碳纳米管分为单壁碳纳米管(Single-Walled Carbon Nanotubes,

SWNTs)和多壁碳纳米管(Multi-Walled Carbon Nanotubes, MWNTs)两种。SWNTs是由一个或几个碳原子层叠而成的单层碳纳米管，直径在1-2nm左右；MWNTs则是由多层碳原子管叠加在一起构成的，直径在10-30nm左右。

SWNTs的结构主要包括芳香环、周边的螺旋结构以及端部的官能团等。SWNTs具有高比表面积和高机械性能，同时还有超疏水性、高导电性和热导率等重要的物理和化学性质。

MWNTs的壁层数越多，直径越大，内壁和外壁之间的距离也越大。MWNTs的直径越大，其比表面积也越小，但其机械性能就越强。MWNTs和SWNTs相比，其电导率、热导率和力学性能都要略低。同时，MWNTs相较于SWNTs更便于分散处理，应用更为广泛。

除了单壁和多壁两种结构外，根据碳纳米管的管径、手性和烯结构等进一步可将碳纳米管细分为不同类型，如外径为几百纳米的纳米线状碳纳米管和手性控制的带有特定电学性质的碳纳米管等。这些碳纳米管的结构特征也符合半导体和金属材料等复合材料的制备要求，具有巨大的研究和发展前景。

碳纳米管载体复合材料的研究　丁　冬等　・　７７　・　

碳纳米管载体复合材料的研究　

丁冬　，章桥新　，王晓辉　

（１　武汉理工大学材料科学与工程，武汉４３００７０；２武汉理工大学机电　程学院，武汉４３００７０）　

摘要　碳纳米管不仅具有特殊的结构与形态．而且具有一系列优异的物理、化学性能。以碳纳米管为载体的复　合材料的制备与研究引起了许多材料研究者极大的关注和兴趣。主要针对碳纳米管为栽体的非金属、金属和金属氧　化物复合材料的研究现状进行了分析．重点讨论了碳纳米管作为载体的复合吸波材料，同时展望了碳纳米管复合材料　

的应用前景。　关键词　碳纳米管复合材料负载吸波材料　中图分类号：ＴＢ３８３　文献标识码：Ａ　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｃａｒｂｏｎ　Ｎａｎｏｔｕｂｅ　Ｃａｒｒｉｅｒ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　

ＤＩＮＧ　Ｄｏｎｇ　，ＺＨＡＮＧ　Ｑｉａｏｘｉｎ　～，ＷＡＮＧ　Ｘｉａｏｈｕｉ　

（１￣－ｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００７０；　

２　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００７０）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｃａｒｂｏｎ　ｎａｎｏｔｕｂｅｓ（ＣＮＴｓ）ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｓｈａｐｅ。ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｈａｓ　ａ　ｓｅｒｉｅｓ　ｏｆ　ｅｘ—　

ｃｅｌｌｅｎｔ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ａｎｄ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｔｈｅ　ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｔａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃａｒｂｏｎ　ｎａｎｏｔｕｂｅｓ　ａｓ　ｔｈｅ　ｃａｒｒｉｅｒ　

ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｈａｘｒｅ　ａｒｏｕｓｅｄ　ｍａｎｙ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ　ｉｎｆｉｎｉｔｅ　ｉｎｔｅｒｅｓｔｓ　ａｎｄ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ，ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｏｎｍｅｔａｌ，ｍｅｔａｌ　ａｎｄ　ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅ　ｃｏｍｐｏｕｎｄ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｗｉｔｈ　ｃａｒｂｏｎ　ｎａｎｏｔｕｂｅｓ　ａｓ　ｔｈｅ　ｃａｒｒｉｅｒ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｕｎｄ　ａｂｓｏｒｂｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｔａｋｉｎｇ　ｃａｒｂｏｎ　ｎａｎｏｔｕｂｅｓ　ａｓ　ｔｈｅ　ｃａｒｒｉｅｒ　ｉｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｗｉｔｈ　ｅｍｐｈａｓｉｓ．Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ　ｔｈｅ　

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1 引言

纳米材料是纳米技术的基础，而碳纳米管又可称为纳米材料之王。碳纳米材料在纳米材料技术开发中举足轻重，它将影响到国民经济的各个领域。碳纳米管的发现是碳团簇领域的又一重大科研成果，本文探讨了碳纳米管的结构、特性、活化方法，评述了这种纳米尺寸的新型碳材料在电化学器件、氢气存储、场发射装置、碳纳米管场效应晶体管、催化剂载体、碳纳米管修饰电极领域的应用价值，展望了碳纳米管的介入对全球性物理、化学及材料等学科界所带来的美好前景。

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。1993年。S.Iijima等和DS。Bethune等同时报道了采用电弧法，在石墨电极中添加一定的催化剂，可以得到仅仅具有一层管壁的碳纳米管，即单壁碳纳米管产物。1997年，AC.Dillon等报道了单壁碳纳米管的中空管可储存和稳定氢分子，引起广泛的关注。相关的实验研究和理论计算也相继展开。初步结果表明：碳纳米管自身重量轻，具有中空的结构，可以作为储存氢气的优良容器，储存的氢气密度甚至比液态或固态氢气的密度还高。适当加热，氢气就可以慢慢释放出来。研究人员正在试图用碳纳米管制作轻便的可携带式的储氢容器。据推测，单壁碳纳米管的储氢量可达10%（质量比）。此外，碳纳米管还可以用来储存甲烷等其他气体。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。