纳米管复合材料的应用综述

1碳纳米管复合材料的应用应用化学系****班**********摘要：碳纳米管是近代发现的一种碳材料的一维形式。碳纳米管具有良好的力学性能，硬度与金刚石相当，良好的韧性，熔点是目前已知材料中最高的，良好的导电性，光学和储氢等其他良好的性能。正是由于碳纳米管这种潜在的价值和广泛的应用前景，使有关碳纳米管复合材料的研究成为最受关注的研究领域之一。关键字：碳纳米管，复合材料，纳米，复合1引言碳纳米管，又名巴基管，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，约0.34nm，直径一般为2~20nm。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。2碳纳米管材料制备方法简介激光蒸发法：利用高能量密度激光在特定的气氛下照射含催化剂的石墨靶,激发出来的碳原子和催化剂颗粒被气流从高温区带向低温区,在载体气体中气态碳在催化剂的作用下相互碰撞生成碳纳米管.在1437k下,THESS等采用双脉冲激光照射含Ni/Co催化剂颗粒的石墨靶,获得较大数量和高质量的单壁碳纳米管。[12]陈文哲等用脉冲激光轰击流动的乙醇和镍-石墨靶的固-液界面,也制得了碳纳米管.碳纳米管的生长主要受到激光强度、生长腔的压强,以及气体流速等因素的影响.此法得到的大多是单壁碳纳米管,质量高,但产量较低。23.碳纳米管复合材料的分类3.1碳纳米管/无机物复合材料3.1.1碳纳米管/铝金属铜复合材料通过在室温下冷压成型后再真空热压处理制备了单壁碳纳米管铝金属复合材料。当热压温度为380℃时，制备的复合材料的硬度可达到2.21GPa，是纯铝金属的15倍左右，比同样温度热压出的铝块的硬度高36.4%。3.1.2碳纳米管/陶瓷复合材料从陶瓷颗粒的表面碳纳米管原位生长入手，在SiC、ZrO2和AlN等材料的表面原位生长碳纳米管，随后利用辉光等离子体烧结（SPS）方法制备出陶瓷与碳纳米管复合材料，从而实现了碳纳米管在陶瓷基复合材料复合材料中的均匀分散，获得高热导率的先进陶瓷，为航空航天领域超高速飞行器的高温结构提供新材料。3.1.3碳纳米管/氧化铝复合材料从采用聚乙烯醇对碳纳米管表面进行改性,通过化学沉淀法将Al(OH)3均匀沉积在碳纳米管表面,然后在氮气气氛下于500℃煅烧2h,制备出氧化铝/碳纳米管复合材料.经聚乙烯醇改性的碳纳米管表面均匀覆盖一层聚乙烯醇膜,通过聚乙烯醇的吸附作用,Al(OH)3沉积在碳纳米管表面形成一层连续的覆盖层.[8]3.1.4碳纳米管/羟基磷灰石复合材料以球磨和超声分散两种工艺制备了CNTs/HAp复合粉体,并经等静压成型、真空无压烧结制备出了碳纳米管/羟基磷灰石复合材料，真空下该复合材料的烧结温度应低于1100℃.所制备羟基磷灰石为纳米级,纯度高,所使用的原料碳纳米管纯度高,碳纳米管在复合粉体中分散均匀.碳纳米管有细化晶粒的作用[1]。3.2碳纳米管/有机物复合材料3.2.1镀镍碳纳米管/导电聚苯胺复合材料3利用化学镀镍法在碳纳米管(CNTs)表面镀金属镍合金(Ni/CNTs),并以过硫酸铵为氧化剂,原位聚合法制备导电聚苯胺(PANI);通过溶液共混法,将Ni/CNTs和PANI制备成复合材料.结果表明,Ni/CNTs的长度约几百纳米至几十微米,镀层的厚度在20～30nm;随着Ni/CNTs含量增加,复合材料的电导率增加,其渗滤阈值为3.5％.高36.4%。[3]3.2.2碳纳米管/聚吡咯复合材料采用恒电流法制备了具有可快速充放电性能的对甲基苯磺酸根掺杂聚吡咯/功能化单壁碳纳米管复合材料,扫描电镜结果表明该复合材料呈纳米棒状构成的多孔结构,棒径约为70nm;比表面积测试分析表明该复合材料有着较高的比表面积和大的介孔孔隙率.表明该材料具有优异的快速充放电性能,同时该材料还表现出优异的稳定性,在大电流下经历10000圈循环后容量仍保持95.2％[9].3.2.3碳纳米管/纤维素复合材料纤维素是一种天然的、可再生、具有良好生物相容性的高分子材料，因价格低廉、容易获得和加工技术成熟等优势，在纤维、聚合物、印刷等传统土业领域都有着重要的应用。而碳纳米管的加入，因其优异的机械性能和高的纵横比，赋子了碳纳米管/纤维素复合材料更高的力学及电学性能，大大拓展了复合材料在生物材料、纳米器件、电化学装置等领域的应用范围。[7]离子液体通过其阴离子与纤维素中轻基的作用能够有效地破坏纤维素分子间的氢键提高改性碳纳米管中纤维素的溶解度。[2]4.碳纳米管复合材料的应用4.1导电性、导热性导电性、导热性CNTs具有优于铜的导电性，可以取代金属填料用来制备有机复合导电材料。因为CNTs与有机物的相容性优于金属，故材料的性能更加稳定，而且质量更轻，同时CNTs高达l000的长径比可以极大地降低复合材料的渗滤阈值，这是其它填料无法达到的，可用作抗电材料。加入CNTs可使复合材料的热稳定性大幅度提高。[4]44.2力学性能将酸化处理以后的CNTs与高密度聚乙烯(HDPE)复合，采用机械共混法制备定向CNTs/HDPE复合材料，CNTs的加入，提高了复合材料的屈服强度和拉伸模量，但同时却降低了材料的断裂强度和断裂伸长率。利用CNTs对酚醛树脂(PF)进行改性，CNTs能够明显提高PF/CF复合材料弯曲强度、压缩强度、层间剪切强度和冲击强度。[10]4.3摩擦学性能以CNTs为填料制备聚四氟乙烯(PTFE)基复合材料，CNTs/PTFE复合材料的摩擦系数随着CNTs含量的增加呈降低的趋势，其耐磨性能明显优于纯PTFE，以CNTs作为填料可有效地抑制PTFE的磨损。4.4抗静电性能人采用共混纺丝的方法将CNTs加入到丙纶中，并且通过测量其摩擦静电荷量来研究其抗静电性能的变化。结果表明：单独添加少量CNTs难以提高聚丙烯(PP)纤维的抗静电性能；而添加含有碳纳米管的复合抗静电剂，可以有效地提高PP纤维的抗静电性能。4.5阻燃性能利用合成的两种新型阻燃剂SPS和PTE与聚磷酸铵(APP)及MWNTs复配，并应用于低密度聚乙烯(LDPE)，得到膨胀型阻燃LDPE-MWNTs复合材料。在该膨胀型阻燃体系中，IFR与MWNTs之问存在明显的协效阻燃作用，并且大大降低了低密度聚乙烯的可燃性和热释放速率(HRR)，而且燃烧后的残碳量大大增加。CNTs/聚合物复合材料的应用CNTs作为加强相和导电相在纳米复合材料领域有着巨大的应用[5]潜力，其中尤以CNTs/聚合物复合材料的应用研究发展得最快。将CNTs作为导电涂料的导电介质时，其管径越小，所制得的导电涂料导电性越好。CNTs作为导电涂料的导电介质的最佳长径比约为250。当CNTs长径比大于250时，所制得的涂料导电性随长径比的增大而减小；当CNTs长径比小于250时，所制得的涂料导电性随长径比的增大而增加。[11]一般地，CNTs的含量越高，所制得的涂料导电性越好。针对新一代吸波隐身材料要求吸收强、宽频带、质量轻、厚度薄、功能5多、红外微波吸收兼容以及具有优良的其它综合性能的要求，利用CNTs特殊的电磁吸波特性，以及聚合物优良的材料性能，研究开发CNTs聚合物基复合吸波功能材料是实现该技术的有效途径5．结语及展望碳纳米管是20世纪90年代发现的一种碳材料的一维形式，具有优良的物理化学性能。由于其独特的电学、光学和机械特性，碳纳米管在物理、化学、信息技术、环境科学、材料科学、能源技术、生命及医学科学等领域均具有广阔的应用前景。正是由于碳纳米管这种潜在的价值和广泛的应用前景，使有关碳纳米管复合材料的研究成为最受关注的研究领域之一。[6]但是，目前系统介绍碳纳米管复合材料的有关专著尚不多见，因此深入、系统地总结碳纳米管复合材料的研究成果，为材料研究者提供一些可借鉴的研究资料，为研究生教学提供一本参考书，不仅具有重要的科学意义，也是急需的。参考文献：[1].李爱民，孙康宁，尹衍升，于志云，卢志华，毕见强，碳纳米管/羟基磷灰石生物复合材料山东大学液态结构及其遗传性教育部重点实验室,济南,250061生物骨科材料与临床研究2003,1(1)[2].管宝辉;鲁江;张慧慧;邵惠丽;胡学超.碳纳米管类型对CNTs/Lyocell复合纤维结构与性能的影响[J].高分子材料科学与工程.2011(08)[3].何征齐暑华邱华秦云川导电聚苯胺/镀镍碳纳米管复合材料的制备与研究西北工业大学理学院应用化学系,西安,710129航空材料学报2013,33(4)[4].朱钟鸣,孙丽娜,郭唐华,彭懋,聚合物/碳纳米管纳米复合材料研究进展浙江大学高分子复合材料研究所浙江杭州310027)[5].王文婷李巧玲常传波磁性吸附碳纳米管复合材料在吸波材料中的应用及展望中北大学理学院化学系(太原030051)[6].沈广霞，董华，林耿杰，林仲玉，林昌健铜/碳纳米管复合材料的制备与表征(厦门大学化学系固体表面物理化学国家重点实验室，福建厦门361005)[7].刘俊莉；马建中；鲍艳；聚合物/碳纳米管复合材料的研究进展陕西科技大学资源与环境学院论[8].杨琪邓意达胡文彬氧化铝/碳纳米管复合材料的制备及表征上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海,200240无机化学学报2007,23(12)[9].朱剑波徐友龙王杰王景平可快速充放电聚吡咯/碳纳米管复合材料电化学聚合制备西安交通大学,电子陶瓷与器件教育部重点实验室,西安710049;西安交通大学,国际电介质研究中心,西安710049物理化学学报2012,28(2)[10].何才启，张俊乾碳纳米管复合材料的应力分析上海大学上海市应用数学与力学研究所2008-10-156[11].李维学;焦琨;戴剑锋;王青.碳纳米管增强AZ91D复合材料微区应力场的有限元模拟[J].兰州理工大学学报.2010(02[12].林香萍，管萍，胡小玲，唐一梅离子液体中制备碳纳米管复合材料的研究西北土业大学理学院，教育部空间应用物理与化学重点实验室，陕西西安710072