碳纤维表面生长碳纳米管碳纳米纤维及其增强复合材料的研究

碳纤维表面处理与改性碳纤维很少单独使用，主要用作复合材料的增强体，其力学性能优势通过复合材料发挥出来。

但复合材料的性能不仅取决于碳纤维本身，更取决于碳纤维与基体之间的界面。

良好的界面结合才能将载荷有效传递给碳纤维，从而充分发挥碳纤维的高强度、高模量特性。

反之，如果碳纤维与基体之间的界面性能较差，应力无法在界面有效传递，则碳纤维的力学性能优势难以发挥出来，将导致复合材料的性能下降。

碳纤维经过高温炭化处理后，大部分非碳元素被脱除，纤维表面呈现较高的惰性，导致在制造复合材料时基体对碳纤维的浸润性变差。

通过对碳纤维进行表面改性，可以改善其表面活性以及与基体的浸润性，增强纤维与基体之间的相互作用，从而有利于复合材料力学性能的提高。

因此，表面处理工艺是碳纤维制备过程中的重要环节之一。

碳纤维的表面改性处理方法有很多，如气相氧化法（包括空气氧化、臭氧氧化）、等离子体处理、液相氧化法（包括酸液氧化、阳极氧化)、表面涂层法、表面接枝法等。

每种处理方法都有自己的优缺点，如气相氧化法流程短，碳纤维经过气相氧化处理后可直接上浆，不需要配套水洗和干燥设备，但是其氧化程度不易控制。

而阳极氧化法具有氧化程度易于控制、氧化过程缓和、氧化效果显著等特点，但该方法需要配套水洗和干燥设备，流程较长。

阳极氧化法的最大优点是处理时间短，能够满足连续生产的要求，因而成为目前国内外碳纤维生产线在线配套的主要方法。

此外，近几年表面涂层法和表面接枝法也发展迅速，特别是基于纳米材料和高分子材料的碳纤维表面改性方法研究较多，在实验室取得了良好的效果，有望成为新一代在线配套的表面处理方法。

1、阳极氧化法阳极氧化法通常是在电解质溶液中以碳纤维为阳极、石墨板为阴极对碳纤维表面进行电化学处理。

电解质溶液种类较多,主要可以分为酸性、碱性及中性三种。

酸性电解质主要为无机含氧酸,如硫酸、硝酸、磷酸、硼酸等;碱性电解质有氢氧化钠、氢氧化钡、氢氧化钙、氢氧化镁磷酸钾、磷酸钠等;中性电解质主要有硝酸钾、硝酸钠以及碳酸氢铵、碳酸铵、磷酸铵等铵盐类电解质。

新型碳材料及其应用领域碳是一种重要的元素，不仅在地球上广泛分布，而且在我们日常生活中有着重要作用。

近年来，随着材料科学和技术的不断发展，新型碳材料逐渐引起人们的关注。

本文将介绍新型碳材料以及其应用领域。

1. 什么是新型碳材料？新型碳材料是指由碳元素组成的材料，具有新的结构和性质。

新型碳材料主要包括石墨烯、碳纳米管、碳纤维和碳纤维增强复合材料等。

这些材料具有很高的强度和硬度，优异的导电性、导热性和光学性能，广泛应用于电子、航空航天、医疗和环境保护等领域。

2. 石墨烯的应用领域石墨烯是一种由碳原子组成的二维晶体结构，厚度只有一个原子层，有着优异的机械、电学、光学和热学性质。

石墨烯的应用领域广泛，例如电子器件、光电器件、传感器、能源储存和生物医学等领域。

在电子器件方面，石墨烯能够实现高速电子传输，可以用于制作高性能晶体管、互连线和电容器等元件。

在光电器件方面，石墨烯的光学特性十分独特，可以制作出高效率光电探测器、太阳能电池和光学调制器等元件。

此外，石墨烯还可以用于制作传感器，例如气体传感器、湿度传感器和生物传感器等。

3. 碳纳米管的应用领域碳纳米管是由碳原子组成的管状结构，具有轻量化、高强度、高导电性和高导热性等优异性能。

碳纳米管被广泛应用于电子、机械、能源和生物医学等领域。

在电子领域，碳纳米管可以用于制作高性能场效应晶体管、逻辑门、存储器和单电子转移器等元件。

此外，碳纳米管还可以用于制作热电元件，利用其高导电性和高导热性，实现高效率的热电转换。

在机械领域，碳纳米管可以用于制作高强度的复合材料和纳米机械零件。

在能源和生物医学领域，碳纳米管还具有广泛的应用前景。

4. 碳纤维的应用领域碳纤维是一种由碳原子组成的纤维状材料，具有轻量化、高强度和高模量等性能。

碳纤维被广泛应用于航空航天、汽车、体育器材和医疗器械等领域。

在航空航天领域，碳纤维被广泛应用于飞机、卫星、导弹和火箭等领域，用于制作结构件和外壳等。

在汽车领域，碳纤维可以用于制作轮圈、车身部件和刹车盘等，可以大幅降低车辆重量，提高燃油经济性。

碳纳米材料综述课程：纳米材料日期：2015 年12 月碳纳米材料综述摘要：纳米材料是一种处于纳米量级的新一代材料，具有多种奇异的特性，展现特异的光、电、磁、热、力学、机械等物理化学性能，这使得纳米技术迅速地渗透到各个研究领域，引起了国内外众多的物理学家、化学家和材料学家的广泛关注，也成为当前世界最热门的科学研究热点。

物理学家对纳米材料感兴趣是因为它具有独特的电磁性质，化学家是因为它的化学活性以及潜在的应用价值，材料学家所感兴趣的是它的硬度、强度和弹性。

毫无疑问，基于纳米材料的纳米科技必将对当今世界的经济发展和社会进步产生重要的影响。

因此，对纳米材料的科学研究具有非常重要的意义。

其中，碳纳米材料是最热的科学研究材料之一。

我们知道，碳元素是自然界中存在的最重要的元素之一，具有sp、sp2、sp3等多种轨道杂化特性。

因此，以碳为基础的纳米材料是多种多样的，包括常见的石墨和金刚石，还包括近几年比较热门的碳纳米管、碳纳米线、富勒烯和石墨烯等新型碳纳米材料。

关键词：纳米材料碳纳米材料碳纳米管富勒烯石墨烯1．前言从人类认识世界的精度来看，人类的文明发展进程可以划分为模糊时代（工业革命之前）、毫米时代（工业革命到20世纪初）、微米和纳米时代（20世纪40年代开始至今）。

自20世纪80年代初，德国科学家Gleiter提出“纳米晶体材料’，的概念，随后采用人工制备首次获得纳米晶体，并对其各种物性进行系统的研究以来，纳米材料己引起世界各国科技界及产业界的广泛关注。

纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级（通常指1—100 nm）的极细颗粒组成的固体材料。

从广义上讲，纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。

通常分为零维材料（纳米微粒），一维材料（直径为纳米量级的纤维），二维材料（厚度为纳米量级的薄膜与多层膜），以及基于上述低维材料所构成的固体。

从狭义上讲，则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体（体材料与微粒膜）。

碳纤维和碳纳米管的区别碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。

它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。

碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。

它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。

碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好。

良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。

碳纤维与传统的玻璃纤维相比，杨氏模量是其3倍多；它与凯夫拉纤维相比，杨氏模量是其2倍左右，在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性突出。

碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构，具有许多异常的力学、电学和化学性能。

近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。

碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口）的一维量子材料。

碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。

层与层之间保持固定的距离，·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、约0.34nm，直径一般为2~20 nm。

并且根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分成锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种。

其中螺旋型的碳纳米管具有手性，而锯齿形和扶手椅型碳纳米管没有手性。

碳纳米管是中空的，属于纳米级别的，肉眼看不见，有单壁和多壁不同层数的，而炭纤维是微米级别的，比头发丝细但是肉眼肯见，都是碳材料家族的成员。

碳材料研究的新成果与应用碳材料是一种非常重要的材料，在各个领域都有着应用，从传统的纸笔到高科技的半导体都与碳材料有密切的关系。

随着科技的发展以及人们对新材料的需求增加，碳材料也在日益完善和更新。

本文将介绍最新的碳材料研究成果以及应用。

一、石墨烯材料石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶体结构材料，厚度仅为原子层级别。

石墨烯具有重要的机械、电学、光学等性质，在领域中有广泛应用。

最新研究成果表明，石墨烯可以作为一种高效的电子发射材料，也有可能应用于能源领域。

例如，将石墨烯贴上金属导线，并利用其高导电性，可以实现高效能的电子输送。

二、碳纳米管材料碳纳米管是由碳原子排列构成，具有一定的伸缩能力和导电性。

在生产和科研方面都有广泛的应用，例如能源科技、电子设备等领域。

最新的研究成果表明，碳纳米管可以作为一种理想的荧光材料。

因为荧光材料需要高纯度、高发光强度、高发光效率等特性，这些特性都可以在碳纳米管上实现。

同时，纳米管表面可以结合荧光染料，以获得更多的应用。

三、纳米炭材料纳米炭材料是由碳纳米管制成的，与传统的炭材料相比，具有更大的比表面积、更好的电化学活性和更高的电容等特性。

因此，纳米炭材料在节能、环保、新能源等领域都有广泛的应用。

最新的研究成果表明，纳米炭材料可以用于电化学电容器、太阳能电池以及二次电池等方面。

同时，纳米炭材料具有良好的耐热性，可以将其应用于热电材料制备。

四、碳纤维材料碳纤维是由高强度碳纤维和树脂等组成的复合材料，不仅具有轻、薄、强等特点，还有较高的抗压强度。

在航天、汽车、建筑、体育等领域都有广泛的应用。

最新的研究成果表明，碳纤维可以用于柔性电子器件中。

与传统的硅基材料相比，碳纤维更加轻薄柔软，可以适应更加复杂的环境条件。

五、碳材料在环保方面的应用碳材料在环保方面有着极为重要的应用。

最新的研究成果表明，碳材料可以作为一种有效的环境修复材料。

因为碳材料吸附能力强，可以将有害物质从环境中吸附出来。

例如，碳纳米管可以利用其特殊结构，在水处理和大气处理等领域有着非常广泛的应用。

材料化学专业科研训练题目:碳纳米管类导电材料设计班级学号:0809020203姓名:文利指导教师:孙苗哈尔滨理工大学化学与环境工程学院2011年01月12日材料化学专业科研训练摘要碳纳米管为一种新型材料，近年来引起了人们的广泛关注，国内外对其都有一定的研究突破。

本文综述了碳纳米管的研究进展，介绍了碳纳米管的各项性能以及其原理，重点说明碳纳米管的导电性能。

最后提出了设计思路以及可能存在的问题。

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目录摘要 (I)第1章绪论 (1)1.1 碳纳米管简介及发展史 (1)1.2 碳纳米管的分类 (2)1.3 碳纳米管的应用 (3)1.4 展望 (4)第2章 (6)2.1 碳纳米管的导电 (6)2.2 碳纳米管的活化 (8)2.3 碳纳米管的力学性能 (9)2.4 碳纳米管的传热 (10)2.5 碳纳米管的储氢 (11)第3章 (12)3.1 设计原理 (12)3.2 设计思路 (12)3.3 存在问题 (12)3.4 用途 (13)总结 (14)参考文献 (15)第1章绪论1.1碳纳米管简介及发展史在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,这就是碳纳米管。

现在被称作的“Carbon nanotube”，即碳纳米管,又名巴基管。

碳纳米管具有典型的层状中空结构特征,构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角碳纳米管的管身是准圆管结构，并且大多数由五边形截面所组成。

管身由六边形碳环微结构单元组成, 端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边锥形多壁结构。

是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口）的一维量子材料。

它主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。

层与层之间保持固定的距离，约为0.34nm，直径一般为2～20nm。

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碳纳米管-环氧复材性能研究近年来作为材料领域的研究热点，碳纳米管受到各国科学家的高度重视。

自从1991年合成碳纳米管以后，它就以其优异性能引起了人们深入地研究。

环氧树脂由于具有优良的力学性能和物理性能，但由于一般双酚A型环氧树脂固化后胶层较脆、对温度敏感性较高，相应地其力学性质和热学性质也较低，因此可用力学性能极高的碳纳米管材料增强是有现实意义的。

碳纳米管具有独特的物理力学性能，包括高强度、高模量，固有的柔韧性，使它成为具有优良性能的环氧树脂基体的理想增强材料，碳纳米管/环氧树脂复合材料的研究将会有广阔的发展前景。

碳纳米管是富勒烯结构与球烯和石墨类似，为sp2杂化的碳构成的曲晶面，最短的C-C键长为0.142nm、长径比约为100～1000。

碳纳米管有优良的电学性能，其导电性根据结构的不同而异，它可以是导体也可以是半导体，甚至可以成为仅次于超导体。

碳纳米管还具有优良的力学性能，它的拉伸强度达到50～200GPa，是钢的100倍，密度却只有钢的1/6，其弹性模量最高达600GPa。

若将它与其它有机高分子材料复合，可对基体起到强化作用。

由于碳纳米管的这些特性，现已经广泛应用于超级电容器、锂离子电池场发射器、超级纤维，以及各类复合材料中。

随着碳纳米管合成技术的日益成熟，工业化已成为可能，成本也能大幅度下降，探索和研究碳纳米管/聚合物基复合材料更具有实践意义。

环氧树脂由于具有优良的力学性能和物理性能、价格低，可作为涂料、胶粘剂、复合材料树脂基体、电子封装材料等；但是一般双酚A型环氧树脂固化后胶层较脆，对温度敏感性较高，相应地其力学性质和热学性质也较低，因此可用力学性能极高的碳纳米管材料增强是有现实意义的。

由于碳纳米管优良的物理化学特性，将它和环氧树脂复合增强环氧树脂的各项性能，可获得性能优良的碳纳米管/环氧树脂复合材料。

碳纳米管的性质与应用【摘要】本文主要介绍了碳纳米管的结构特点，制备方法，特殊性质，由于碳纳米管独特性质而产生的广泛应用，并对其前景进行展望。

【关键词】碳纳米管场发射复合材料优良性能【前言】自日本NEC科学家Lijima发现碳纳米管以来，碳纳米管研究一直是国际新材料领域研究的热点。

由于碳纳米管具有特殊的导电性能、力学性质及物理化学性质等，故其在许多领域具有其广阔的应用前景，自问世以来即引起广泛关注。

目前，国内外有许多科学家对碳纳米管进行研究，科研成果颇丰，尤其是碳纳米管在复合材料、储氢及催化等领域的应用。

【正文】一、碳纳米管的结构碳纳米管中碳原子以sp2杂化为主，同时六角型网格结构存在一定程度的弯曲，形成空间拓扑结构，其中可形成一定的sp3杂化键，即形成的化学键同时具有sp2和sp3混合杂化状态，而这些p 轨道彼此交叠在碳纳米管石墨烯片层外形成高度离域化的大π键，碳纳米管外表面的大π键是碳纳米管与一些具有共轭性能的大分子以非共价键复合的化学基础[1]。

对多壁碳纳米管的光电子能谱研究结果表明，不论单壁碳纳米管还是多壁碳纳米管，其表面都结合有一定的官能基团，而且不同制备方法获得的碳纳米管由于制备方法各异，后处理过程不同而具有不同的表面结构。

一般来讲，单壁碳纳米管具有较高的化学惰性，其表面要纯净一些，而多壁碳纳米管表面要活泼得多，结合有大量的表面基团，如羧基等。

以变角X 光电子能谱对碳纳米管的表面检测结果表明，单壁碳纳米管表面具有化学惰性，化学结构比较简单，而且随着碳纳米管管壁层数的增加，缺陷和化学反应性增强，表面化学结构趋向复杂化。

内层碳原子的化学结构比较单一，外层碳原子的化学组成比较复杂，而且外层碳原子上往往沉积有大量的无定形碳。

由于具有物理结构和化学结构的不均匀性，碳纳米管中大量的表面碳原子具有不同的表面微环境，因此也具有能量的不均一性[2]。

碳纳米管不总是笔直的，而是局部区域出现凸凹现象，这是由于在六边形编制过程中出现了五边形和七边形。