碳纳米管增强聚合物复合材料的合成及应用进展
Advances in Material Chemistry 材料化学前沿, 2017, 5(3), 70-79
Published Online July 2017 in Hans. https://www.sodocs.net/doc/2d9797996.html,/journal/amc
https://https://www.sodocs.net/doc/2d9797996.html,/10.12677/amc.2017.53009
The Research Advances on Carbon
Nanotubes/Polymer Nanocomposites
Nannan Chao, Rao Fu, Changmei Sun*, Rongjun Qu*, Ying Zhang
School of chemistry material science, Ludong University, Yantai Shandong
Received: May 13th, 2017; accepted: May 30th, 2017; published: Jun. 2nd, 2017
Abstract
Carbon nanotubes are ideal reinforcing materials due to their large aspect ratio and specific sur-face area. The research advances on carbon nanotubes/polymer nanocomposites in recent years have been reviewed in this paper. The reinforced polymers mainly included polyvinyl chloride, polyvinyl alcohol, polysulfone and polymethyl methacrylate. The preparation methods, applica-tions and mechanical properties, thermal stability and electrical conductivity of the composites were summarized.
Keywords
Carbon Nanotubes, Polymer, Nanocomposites, Mechanical Property
碳纳米管增强聚合物复合材料的合成及应用进展
晁楠楠，付饶，孙昌梅*，曲荣君*，张盈
鲁东大学化学与材料科学学院，山东烟台
收稿日期：2017年5月13日；录用日期：2017年5月30日；发布日期：2017年6月2日
摘要
碳纳米管由于具有很大的长径比和比表面积，是理想的增强材料。本文主要综述了近年来碳纳米管增强聚合物复合材料的研究进展，所增强的聚合物主要包括聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚砜和聚甲基丙烯酸甲酯。
*通讯作者。
文章引用: 晁楠楠, 付饶, 孙昌梅, 曲荣君, 张盈. 碳纳米管增强聚合物复合材料的合成及应用进展[J]. 材料化学前
晁楠楠 等
对复合材料的制备方法、应用及所得材料的力学性能、热稳定性、导电性等各方面性能进行了总结。
关键词
碳纳米管，聚合物，纳米复合材料，力学性能
Copyright ? 2017 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).
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1. 引言
碳纳米管(CNTs)，又名巴基管(bukytubes)，是1991年日本电子公司(NEC)的Iijima 在用高分辨透射电镜分析电弧放电产生的阴极沉积物时首先发现的[1]。自此以后，碳纳米管便迅速成为世界范围内的研究热点之一。碳纳米管属于富勒碳系，是一种新型的碳结构–维纳米材料，是由单层或多层石墨片围绕同一中心轴，按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级中空管状结构，两端通常被由五元环和七元环参与形成的半球形大富勒烯分子封住，每层纳米管的管壁是一个圆柱面这个圆柱面是由碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形网络平面所围成的。根据石墨层数的不同，碳纳米管可以大致分为单壁碳纳米和多壁碳纳米管[2]。
碳纳米管具有优异的力学性能[3]，相对密度虽然只有钢的1/6，但是强度却比钢高100倍，其弹性应变约为5%，最高可达12%，约为钢的60倍，与此同时，它的理论拉伸强度为钢的100倍。其超强的力学性能可以极大地改善聚合物复合材料的强度和韧性，独特的光电性能可以赋予聚合物复合材料新的光电性能[4]。同时碳纳米管自身纳米级的中空管状结构赋予其很大的表面积且其表面易氧化或表面负载，即在表面产生了大量的吸附活性位点，因此碳纳米管在吸附性能方面的应用也极有发展前景。
碳纳米管与聚合物的复合可以实现不同组元材料的优势互补或加强，并且最经济有效地利用碳纳米管的独特性能，是碳纳米管稳定化的有效途径，因此，一时间碳纳米管的化学改性以及碳纳米管与聚合物的复合成为人们关注的热点[5]。随着研究日益进展，人们还发现碳纳米管/聚合物复合材料在信息材料、生物医用材料、隐身材料、催化剂、高性能结构材料、多功能材料等方面有着广阔的应用前景[6]。为了进一步发掘碳纳米管的更多应用潜能，科研工作者正努力从不同角度拓展碳纳米管的应用途径，从而掀起了一股碳纳米管的研究热潮。
碳纳米管管径小，表面能大，在范德华力以及相互之间的π电子作用的影响很容易相互吸引形成尺寸较大的团聚体，影响它在聚合物中的分散。为了提高碳纳米管和聚合物的界面粘结力，通常会在碳纳米管表面进行物理和化学修饰[7]。物理修饰主要通过吸附、包覆和涂敷对碳纳米管进行表面改性，这种方法不会对碳纳米管的结构有破坏，保留了碳纳米管原始的优异性能。而化学修饰则是碳纳米管和改性剂进行化学反应，改变碳纳米管的表面结构和状态。无论是物理还是化学改性，都可以提高碳纳米管的分散性。目前制备碳纳米管/聚合物复合材料的方法主要有物理共混法和原位聚合法。溶液混合法是将碳纳米管分散在适当的溶剂中，然后在一定温度下将碳纳米管与聚合物进行共混，最后通过蒸发、沉淀或浇铸成膜的方法制得碳纳米管/聚合物复合材料。其中，利用高能超声波法可以将碳纳米管/聚合物混合在不同的溶剂中以获得碳纳米管/聚合物的亚稳态的悬浮液[8]。原位聚合法主要是利用引发剂打开碳纳米管的π-π键或其表面的官能团使其参与聚合，这样通过缩聚反应使碳纳米管与聚合物之间形成共价键，加Open Access
晁楠楠等
强了碳纳米管与聚合物间的界面作用，以达到碳纳米管的增强作用[9]。
鉴于聚合物种类繁多，综合近年来科研工作者对碳纳米管增强聚合物的研究，本文选取了聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚砜和聚甲基丙烯酸甲酯为主要增强对象，对碳纳米管增强聚合物的纳米复合材料的研究进展进行了综述。
2. 碳纳米管增强聚氯乙烯(PVC)复合材料
聚氯乙烯(PVC)是一种重要的热塑性塑料，是通用树脂之一，优点颇多，例如阻燃性能优良、绝缘性能好、耐腐蚀等优良的综合性能以及价格低廉、原材料来源广泛，已被广泛的应用于建筑、包装及汽车工业等领域，其产量仅次于聚乙烯(PE)而居世界树脂产量的第二位[10]。同样用于膜合成的PVC材料具有优良的化学稳定性及机械性能，价格低廉，是一种优良的膜合成材料，在我国实际生产中已较为成熟。
但该材料属于疏水性材料，合成膜的通量低，易吸附污物，耐热变形性差及热稳定性差、加工性能不佳，这在一定程度上使它的应用受到限制[11]。为了改进这些性能，近年来，科研工作者利用碳纳米管的优良性能改性增强PVC复合材料，其相关研究报道得到了广泛关注。
赵方波等[12]首次采用浸没沉淀相转化法(L-S法)制备了单壁碳纳米管(SWCNTs)及聚氯乙烯(PVC)共混膜，发现SWCNTs在聚氯乙烯铸膜液中表现出良好的分散性能，SWCNTs/PVC共混膜表面分布均匀微孔，断面形成不对称膜孔道。膜表面亲水性得到改善，且当SWCNTs含量不同时，SWCNTs/PVC表面接触角会依次降低，SWCNTs/PVC共混膜纯水通量明显提高。吴浩等[13]采用硫酸、硝酸混酸改性多壁碳纳米管(MWCNTs)，通过化学水热法在改性的MWCNTs表面负载纳米Fe3O4，将负载Fe3O4的MWCNTs(MWCNTs/Fe3O4)与PVC在无磁场、有磁场作用下共混制膜，获得MWCNTs无序排列、有序排列修饰的PVC超滤膜，并与纯PVC膜作比较。研究结果表明：MWCNTs/Fe3O4的加入使膜的亲水性、纯水通量、截留性能等有了显著提高，MWCNTs有序排列修饰使膜在表皮层形成了更加致密，更为狭长的微孔结构，具有了更优异的导流网络通道，提高了膜的性能。Rajabi等[14]用溶液浇铸的方法制备了PVC/MWCNTs混合薄膜，在制备过程中分别加入了原始碳纳米管(R-MWCNT)和羧基功能化的碳纳米管(C-MWCNT)，羧基碳纳米管比原始碳纳米管表现出来更好的气体分离性能，特别是对CO2/CH4的分离。
研究发现含有5w%羧基碳纳米管的膜在2个大气压下对CO2/CH4的选择性最高可达52.18，含有3w%羧基碳纳米管的膜对CO2/CH4的选择性最高可达63.52。
除此之外，研究人员还针对碳纳米管增强聚氯乙烯复合材料的导电性能做了一系列研究。
Vasanthkumar等[15]同样使用溶液混合浇铸的方法制备了高品质的MWCNT-PVC复合材料薄膜，碳纳米管负载从0.1%增加到44.4 w%时，其电导率从10?7显著提高到9S/cm。Lei [16]等用溶液共混法制得了MWNTs/PS-PVC复合材料，进行了电导率的测试分析。通过对载流子浓度、迁移率的测量以及电导活化能的计算等分析研究了影响MWNTs/PS-PVC复合材料电导率的因素和导电机制。结果表明：当PS与PVC 的质量比为1：1时，MWNTs/PS-PVC复合材料的导电阈值最低；当MWNTs的质量分数为1.5%，PS 在PS-PVC基体中的质量分数为50%时，MWNTs/PS-PVC复合材料的电导率比MWNTs/PVC单一聚合物复合材料的提高了4个数量级。在导电网络的形成过程中，MWNTs/PS-PVC复合材料中形成的与无机化合物超晶格结构类似的n-i-P-i结构降低了MWNTs／PS-PVC复合材料的电导活化能，增加了载流子浓度，使MWNTs/PS-PVC复合材料电导率显著提高。王俊[17]等采用原子转移自由基聚合(ATRP)在多壁碳纳米管(MWNTs)表面接枝聚丙烯酸丁酯(PBA)得到MWNTs—PBA，并以此对聚氯乙烯(PVC)改性，采用熔融共混法制备了PVC/MWNTs—PBA复合材料。结果表明接枝了聚合物的碳纳米管可以提高复合材料的结晶温度(5℃左右)、耐热温度(20℃左右)；复合材料的流变性能、导电性能也同时得以提高。
晁楠楠等
由此可见，碳纳米管增强聚氯乙烯复合材料在吸附分离、导电等研究领域尚有极大的潜力。
3. 碳纳米管增强聚乙烯醇(PVA)复合材料
聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol，简称PVA)是人工合成的高分子聚合物，同时也是为数不多的具有水溶性的高聚物。它是由醋酸乙烯聚合制得聚醋酸乙烯(PVAC)，通过聚醋酸乙烯醇解而得到的，其分子式为[18]-(C2H3OH)-。聚乙烯醇最早是于1924年由德国化学家赫尔曼(W O Herrmann)和海涅尔(W W Hachnel)博士在实验室将碱液加入到聚醋酸乙烯的醇溶液中醇解制得[19]，反应方程式如下：
聚乙烯醇(PVA)作为为数不多的可人工合成的水溶性有机高分子聚合物，品种繁多，无毒无味，还具有优良的力学性能、可调节的表面活性、强粘结性、耐油性等许多优异的性能，是环境友好型高分子材料，已被广泛应用于生物医用材料、纺织上浆剂、粘结剂、纸张处理剂、乳化分散剂、薄膜等领域[20]。并且，它还具有优越的成膜性，其溶液经干燥可生成无色透明、柔韧及有粘着力的薄膜，PVA膜具有良好的机械性能、耐油性、耐药品性、优异的气体阻隔性、透明度、非带电性、水溶性等特点，这些都受聚乙烯醇自身聚合度和醇解度制约[21]。聚乙烯醇膜凭借其多种优良的性能已被广泛应用于薄膜的各个行业。聚乙烯醇的应用之广泛，其与碳纳米管的复合材料薄膜在国内外已进行了大量的研究，取得了大量的成果。
Mallakpour等[22]用已氧化的碳纳米管在蒸馏水中分散好并与苯丙酸氨、NaOH室温反应24h得到功能化的碳纳米管(f-MWCNT)，再利用溶液浇铸法制备PVA/f-MWCNT复合材料薄膜，其中功能化的碳纳米管可以在水中稳定存在数个月，在蒸馏水中的分散性得到提高。经拉力测试可得该复合材料薄膜与PVA 相比，弹性模量和屈服力增加而破坏应变降低，机械性能得到极大提高；热重分析显示该薄膜热稳定性也有所增加，因此，推测这种复合材料在制备新型涂料和粘合剂上有极大的应用潜力。Fan等[23]使用一种简单的溶液混合再超声的方法成功制备了Kevlar纳米纤维功能化的碳纳米管(KNCNTs)，并研究了其对聚合物PVA和PMMA的增强作用。通过拉力测试得到PVA/KNCNTs和PMMA/KNCNTs薄膜的杨氏模量和拉伸强度都有极大的提高，其中PVA/KNCNTs拉伸强度可达122MPa，PMMA/KNCNTs可达54.2 MPa，这也表明KNCNTs对聚合物的增强作用比原始碳纳米管强。王旭东[24]采用重氮盐法将碳纳米管磺化，以溶液共混法制备高分散性的碳纳米管/聚乙烯醇(MWNT/PVA)纳米复合材料。结果发现在碳纳米管含量较低的情况下就可以有效地增强聚乙烯醇的耐热性能。于海容等[25]以羧基化碳纳米管(c-CNT)为添加剂，采用浸没沉淀相转化法制备了一种新颖的PVA/c-CNT复合超滤膜，研究了羧基碳纳米管的用量对复合膜性能的影响及膜对印染废水中偶氮类及三苯甲烷类物质的去除情况。发现当c-CNT的用量为2时，复合膜的拉伸强度和断裂伸长率同时达到最大值，比未加c-CNT时分别提高了57.4%和150%。同时还得到结论：复合超滤膜对偶氮类和三苯甲烷类印染废水这两类物质的吸附性能较强，再生能力达95%以上，复合超滤膜可应用于印染废水的处理中。
碳纳米管除了对聚乙烯醇薄膜力学性能的提高方面突出之外，其电学性能也相当优异。将其加入聚乙烯醇材料中可以有效地提高聚乙烯醇材料的导电性，从而聚乙烯醇可以制备成各种导电纤维、导电薄膜等材料，应用到抗静电、防辐射等领域中。Beenish等[26]利用静电纺丝技术制备了聚苯胺/聚乙烯醇/
晁楠楠等
多壁碳纳米管(PANI/PVA/MWCNTs)复合纳米纤维。结果表明，由于碳纳米管和三维和多孔的静电纺丝纳米纤维结构的优良性能，PANI/PVA/MWCNTs复合纳米纤维修饰电极表现出良好的电子传输性能，与聚苯胺/聚乙烯醇/多壁碳纳米管纳米纤维共价固定化的葡萄糖氧化酶(葡萄糖氧化酶)通过氧化还原活性以及生物相容性介质铁蛋白(FRT)对氧化葡萄糖具有良好的电催化活性，在20毫米葡萄糖溶液中使用这种纳米生物阳极最大电流密度可达7.5 mA cm?2，异相电子转移速率常数(Ks)是3.09 s?1。Yun等[27]先分别将PVA和碳纳米管各自磺化得到s-PVC和s-MWNT(如图1-1)，然后用二者不同组分制成纳米复合薄膜SPVA，该膜直接用于质子交换膜，SPVA膜的质子电导率随着s-MWNTs在SPVA膜中的含量的增加而增加，且质子导电率在60度下可达0.032到0.075 S/cm之高。
4. 碳纳米管增强聚砜(PSF)复合材料
聚砜类材料分为脂肪族聚砜和芳族聚砜两大类。芳族聚砜中的双酚A型聚砜(PSF)是最常用的聚砜类材料之一。聚砜(PSF)作为一个高分子材料，由于其高强度、抗蠕变、耐高温和pH使用范围广等优点，广泛应用于微滤、超滤及反渗透与纳滤膜的支撑材料。但由于聚砜具有强疏水性，导致膜表面易被污染，聚砜类膜材料的表面自由能较低，水接触角较大，影响膜通量和选择性能，从而使膜的使用效率下降，限制了聚砜膜材料在水基体系中的应用[28] [29]；其次，具有低拉伸强度的聚合物容易受到操作应力的破坏，包括通常在中空纤维模块内出现的高压和振动剪切应力[30] [31] [32]。近年来，各国的研究人员都在对聚砜类膜材料进行改性研究，主要致力于提高其膜表面的亲水性，从而进一步增强聚砜膜的抗污染能力，使其的优异性能得到充分性发挥[33]。
某些聚合物膜对氯的耐受性会限制膜的化学清洗。Xie等[34]分别制备了聚砜改性聚乙烯吡咯烷酮(PVP-PSF)薄膜(PVP-PSF)和羧基化碳纳米管修饰的PVP-PSF薄膜(CNT-PVP-PSF)，结果表明CNT-PVP-PSF膜比PVP-PSF膜对氯的耐受性更强，表面粗糙度更加平滑和膜的性能包括透气性、亲水性和抗污染能力都有所提高。Xu等[35]研究了碳纳米管(CNTs)对碳纳米管/聚合物复合膜理化性能和过滤性能的影响，运用逆向反转的方法制备了三种复合膜：原始碳纳米管修饰的PSF复合膜(M-rCNT)，功能化碳纳米管修饰的PSF复合膜(M-fCNT)，以及纯净的PSF复合膜(M-PSF)，表征结果显示碳纳米管复合
(a)
(b)
Figure 1. The sulfonation of PVA (a) and MWNT (b)
图1. PVA(a)和MWNT(b)的磺化反应
晁楠楠等
膜的孔隙率、表面亲水性、热稳定性和应变应力依赖于CNT含量，碳纳米管的负载显著提高了聚砜膜的纯水通量。其中，M-fCNT对有机污染物的抗污染能力最强。Khalid等[36]通过相位反转技术制备了聚砜(PSF)/银掺杂的碳纳米管(Ag-CNT)纳米复合膜，经表征结果发现该纳米复合膜比原始的PSF膜具有更好的耐污染能力和更稳定的水通量值，含有0.2%Ag-CNT负载的PSF纳米复合膜具有最高的通量回收率约80%和最低的总膜电阻为56%，减少了不可逆的污垢热阻21%。
碳纳米管片状的石墨稀螺旋形状、中空管状结构，使其具有较大的比表面积，对液体和气体都有显著的吸附性，而碳纳米管增强聚砜复合材料中因为有碳纳米管的存在，其在吸附分离金属离子及气体方面也有巨大潜力。Shah等[37]同样使用相反转法合成了多壁碳纳米管/聚砜(MWNT/PSF)复合材料薄膜，发现MWNT/PS复合膜热稳定性更好，热降解温度更高，相比原始PSF膜，该膜更具有亲水性，更好的吸附性能以及孔径减少到20~30 nm。这种较小的孔径以及更好吸附性能使得该膜可以有效而充分的去除饮用水里的金属离子。郭瑞乾等[38]以多壁碳纳米管作为无机添加颗粒，含氟聚砜膜作为母体膜制备了不同含量的复合膜。研究了CO2、CH4气体在不同碳纳米管添加量下的渗透选择性能，随着碳纳米管添加量的增加，CO2气体渗透系数增加，CO2/CH4选择系数降低，另外还研究了不同跨膜压差和温度条件下的气体渗透选择性能，随着压力升高，CO2气体渗透系数降低，CO2/CH4选择系数降低，温度升高，CO2气体渗透系数增加，CO2/CH4选择系数降低。当碳纳米管添加量为2%时，复合膜的气体渗透选择性能最优。
5. 碳纳米管增强聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)复合材料
PMMA即聚甲基丙稀酸甲酯，是无毒环保的材料，可用于生产餐具，卫生洁具等，具有良好的化学稳定性、耐候性、质轻、价廉等优点，分子结构式如图2所示。PMMA表面硬度不够，在80℃~90℃以上就会软化变形，这些缺陷限制了它的应用范围。
近年来，为了提高PMMA的机械强度，开发其更多的应用潜能，多数科研工作者致力于将更加强的填充物添加到PMMA中制备复合材料进而研究它的各种性能的变化情况。其中，拥有独特结构[39] [40]和机械性能的碳纳米管就是这样一种填充材料。Zeng等[41]研究了PMMA/MWCNTs纳米复合材料泡沫，这种材料的性能表现出了极大的不同点，促进了新型纳米材料的发展。Makireddi等[42]制备的多壁碳纳
Figure 2. Molecular structural formula of PMMA
图2. 聚甲基丙烯酸甲酯分子结构式
晁楠楠等
米管增强PMMA的复合材料薄膜，发现随着碳纳米管添加量的增加，复合材料的导电性，抗拉强度，破坏应力，弹性模量都有所提高，其压阻特性和应变灵敏度在碳纳米管添加量为3%时达到最高，之后随着碳纳米管的增加将有所下降。该研究开辟了MWCNT/PMMA复合材料在结构健康监测方面的应用前景。
Jindal[43]研究了含有不同百分含量的碳纳米管的MWCNT/PMMA纳米复合材料的准静态和动态机械性能。研究发现6.25wt% PMMA/MWCNT复合材料比纯净的PMMA材料在硬度和模量上分别提升了近44%和28%，这也预示着该复合材料在需要静态负载电阻的工程上具有潜在的应用价值。然而由于碳纳米管容易团聚，随着碳纳米管添加量的增加，该复合材料的硬度和模量也会降低。Banks-Sills等[44]用功能化的碳纳米管增强PMMA得到复合材料，碳纳米管的功能化采用嫁接法和接枝法两种方法，将两种方法功能化的碳纳米管增强PMMA的复合材料的力学性能与非功能化的碳纳米管进行对比，发现功能化的碳纳米管增强PMMA复合材料在聚合物中的分散能力得到提高，力学性能更好，而不同含量的碳纳米管对其三者的力学性能影响也不同，碳纳米管含量较低时，无论是功能化还是非功能化，都可能导致复合材料弹性模量的降低或者保持不变。Ryu等[45]用MWNT包覆在PMMA粒子上制备了PMMA/MWNT复合材料，发现该材料的导电性能得到提高，其渗流阈值与PMMA/MWNT树脂相比有明显的降低。
制备碳纳米管增强聚合物纳米复合材料主要解决的问题在于提高碳纳米管表面与聚合物基质的兼容性，而提高碳纳米管表面与聚合物基质的兼容性首先必须提高碳纳米管的分散性。碳纳米管良好的分散性能使一些材料在某些应用上成为可能，如燃料电池、传感器、电子器件的透明电极、电磁干扰屏蔽、静电电荷耗散、抗静电电荷耗散等。目前提高碳纳米管分散性的方法主要是通过对碳纳米管尾端和侧壁进行表面修饰，从而提高纳米填充聚合物复合材料的电，机械或热性能。然而，因为强大的范德华力阻碍了碳纳米管在基体中的分散，这成为一个很棘手的问题[46] [47] [48]。Zhang等[49]制得氨基功能化的碳纳米管/聚甲基丙烯酸甲酯(MWNT-NH2/PMMA)纳米复合材料，提高了碳纳米管的分散性及在聚合物基质中的载荷传递。Pantoja-Castro等[50]利用声化学法将偶氮二异丁腈(AIBN)修饰的碳纳米管(AIBN-MWNT)与甲基丙烯酸甲酯混合，这样有利于MWNT均匀的分散，得到可导电的聚合物基质纳米复合材料薄膜。Mammeri等[51]也研究了CNT在PMMA中的分散性，他们采用重氮盐对碳纳米管侧壁进行表面修饰，进而用PMMA聚合物刷再对其功能化，结果表明，碳纳米管在PMMA中的分散性得到提高。Zanotto等[52]先用微波净化碳纳米管，再用聚乙二醇(PEG)功能化净化后的碳纳米管得到sh-MWNT-PEG，最后将sh-MWNT-PEG加入到PMMA中，成功制备了均匀和透明的纳米复合材料。经微波处理和聚乙二醇(PEG)功能化的MWNTs显示出良好的分散性，其与PMMA相互影响，对聚合物的热性能有很明显的影响。
6. 结论与展望
聚合物/碳纳米管复合材料是碳纳米管产业化应用的一个重要途径，具有较大的理论意义和实际意义。
碳纳米管增强不同聚合物的复合材料都各有各的特点，一方面聚合物本身有着各自的力学、电学和光学特点；另一方面来说碳纳米管在不同基体中分散性的差异，碳纳米管与不同聚合物相互作用的不同以及碳纳米管在不同聚合物中的添加量对于不同聚合物也会表现出来不同的差异。可见，作为基体材料，不同聚合物也会因为碳纳米管的加入带来前所未有的独特新性能。
在未来对整个复合材料体系的研究的研过程中，我们应该重点研究:1) 探索碳纳米管的加入对整个薄膜性能的影响及影响机制，解决碳纳米管自身的易团聚缺陷，使碳纳米管更好地分散在聚合物中。2) 比较碳纳米管添加前后复合薄膜性能的变化规律，研究碳纳米管和聚合物之间的界面作用，探讨碳纳米管在不同聚合物中各个性能达到最佳值时的添加量，注重开发复合薄膜所体现的新性质。相信在不远的将来，碳纳米管增强聚合物复合材料能够更好地运用到人们的生产生活中去。
晁楠楠等项目基金
国家自然科学基金(Nos.56173089,51302127,51373074,51073075,51143006),山东省中青年科学家奖励基金(No.2008BS04011),山东省自然科学基金（Nos. 2009ZRB01463, Y2007B19), 烟台市科技发展计划项目(No.2013ZH350)资助。
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碳纳米管的性质与应用
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
复合材料的界面改性
界面及界面改性方法 界面结合强度低，则增强纤维与基体很容易分离，在材料的断面可观察到脱粘、纤维拔出、纤维应力松弛等现象，起不到增强作用；但界面结合强度太高，则增强纤维与基体之间应力无法松弛，形成脆性断裂。 在研究和设计界面时，不应只追求界面粘结而应考虑到最优化和最佳综合性能。 1、聚合物基复合材料界面 界面结合有机械粘接与润湿吸附、化学键结合等。 大多数界面为物理粘结，结合强度较低，结合力主要来自如色散力、偶极力、氢键等物理粘结力。 偶联剂与纤维的结合（化学反应或氢键）也不稳定，可能被环境（水、化学介质等）破坏。一般在较低温度下使用，其界面可保持相对稳定。增强剂本身一般不与基体材料反应。 聚合物基复合材料界面改性原则： 1）在聚合物基复合材料的设计中，首先应考虑如何改善增强材料与基体间的浸润性。一般可采取延长浸渍时间，增大体系压力、降低熔体粘度以及改变增强体织物结构等措施。２）适度的界面结合强度 ３）减少复合材料中产生的残余应力 ４）调节界面内应力和减缓应力集中 聚合物基体复合材料改性方法 １、颗粒增强体在热塑性聚合物基体加入两性相溶剂(增容剂)，则能使液晶微纤与基体间形成结合良好的界面 ２、纤维增强体复合材料界面改善 a)纤维表面偶联剂 b)涂覆界面层 c)增强体表面改性 2、金属基复合材料界面 金属基体在高温下容易与增强体发生不同程度的界面反应，金属基体多为合金材料，在冷却凝固热处理过程中还会发生元素偏聚、扩散、固溶、相变等。 金属基复合材料界面结合方式有化学结合、物理结合、扩散结合、机械结合。总的来讲，金属基体复合材料界面以化学结合为主，有时也会出现几种界面结合方式共存。 金属基体复合材料的界面有3种类型：第一类界面平整、组分纯净，无中间相。第二类界面不平直，由原始组分构成的凸凹的溶解扩散型界面。第三类界面中含有尺寸在亚微米级的界面反应物。多数金属基复合材料在制备过程中发生不同程度的界面反应。 金属基复合材料的界面控制研究方法： 1）对增强材料进行表面涂层处理在增强材料组元上预先涂层以改善增强材料与基体的浸润性，同时涂层还应起到防止发生反应的阻挡层作用。 2）选择金属元素改变基体的合金成分，造成某一元素在界面上富集形成阻挡层来控制界面反应。尽量避免选择易参与界面反应生成脆硬界面相、造成强界面结合的合金元素 3）优化制备工艺和参数金属基体复合材料界面反应程度主要取决于制备方法和工艺参数，因此优化制备工艺和严格控制工艺参数是优化界面结构和控制界面反应的有效途径。 3、陶瓷基复合材料的界面 陶瓷基体复合材料指基体为陶瓷材料的复合材料。增强体包括金属和陶瓷材料。界面结合方式与金属基体复合材料基本相同，有化学结合、物理结合、机械结合和扩散结合，其中以化学结合为主，有时几种结合方式同时存在。 陶瓷基体复合材料界面控制方法
复合材料的发展和应用
复合材料的发展和应用 复合材料的发展和应用 具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候 论文格式论文范文毕业论文 全球复合发展概况复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电气、、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。另外，纳米技术逐渐引起人们的关注，纳米复合材料的研究开发也成为新的热点。以纳米改性塑料，可使塑料的聚集态及结晶形态发生改变，从而使之具有新的性能，在克服传统材料刚性与韧性难以相容的矛盾的同时，大大提高了材料的综合性能。树脂基复合材料的增强材料树脂基复合材料采用的增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。 1、玻璃纤维目前用于高性能复合材料的玻璃纤维主要有高强度玻璃纤维、石英玻璃纤维和高硅氧玻璃纤维等。由于高强度玻璃纤维性价比较高，因此增长率也比较快，年增长率达到10%以上。高强度玻璃纤维复合材料不仅应用在军用方面，近年来民用产品也有广泛应用，如防弹头盔、防弹服、直升飞机机翼、预警机雷达罩、各种高压压力容器、民用飞机直板、体育用品、各类耐高温制品以及近期报道
的性能优异的轮胎帘子线等。石英玻璃纤维及高硅氧玻璃纤维属于耐高温的玻璃纤维，是比较理想的耐热防火材料，用其增强酚醛树脂可制成各种结构的耐高温、耐烧蚀的复合材料部件，大量应用于火箭、导弹的防热材料。迄今为止，我国已经实用化的高性能树脂基复合材料用的碳纤维、芳纶纤维、高强度玻璃纤维三大增强纤维中，只有高强度玻璃纤维已达到国际先进水平，且拥有自主知识产权，形成了小规模的产业，现阶段年产可达500吨。 2、碳纤维 3、芳纶纤维 20世纪80年代以来，荷兰、日本、前苏联也先后开展了芳纶纤维的研制开发工作。日本及俄罗斯的芳纶纤维已投入市场，年增长速度也达到20%左右。芳纶纤维比强度、比模量较高，因此被广泛应用于航空航天领域的高性能复合材料零部件（如火箭发动机壳体、飞机发动机舱、整流罩、方向舵等）、舰船（如航空母舰、核潜艇、游艇、救生艇等）、汽车（如轮胎帘子线、高压软管、摩擦材料、高压气瓶等）以及耐热运输带、体育运动器材等。 4、超高分子量聚乙烯纤维超高分子量聚乙烯纤维的比强度在各种纤维中位居第一，尤其是它的抗化学试剂侵蚀性能和抗老化性能优良。它还具有优良的高频声纳透过性和耐海水腐蚀性，许多国家已用它来制造舰艇的高频声纳导流罩，大大提高了舰艇的探雷、扫雷能力。除在军事领域，在汽车制造、船舶制造、医疗器械、体育运动器材等领域超高分子量聚乙烯纤维也有广阔的应用前景。该纤维一经问世就引起了世界发达国家的极大兴趣和重视。 5、热固性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料是20世纪80年代发展起来的，主要有长纤维增强粒料、连
聚合物基纳米复合材料研究进展
聚合物基纳米复合材料研究进展 摘要: 针对聚合物基纳米复合材料的某些热点和重点问题进行了总结和评述，并讨论了碳纳米管、石墨烯及纳米增强界面等以增强为主的纳米复合材料的研究状况和存在的问题；系统地评述了纳米纸复合材料、光电纳米功能复合材料以及纳米智能复合材料等以改善功能的纳米功能复合材料的研究动态。 关键词 : 复合材料；纳米材料；聚合物；功能材料 引言 复合材料作为材料大家族中的重要一员，已经深入到人类社会的各个领域，为社会经济与现代科技的发展作出了重要贡献。复合材料科学与技术的发展经历了从天然复合材料到人工复合材料的历程，而人工复合材料的诞生更是材料科学与技术发展中具有里程碑意义的成就。20 世纪 50 年代以玻璃纤维增强树脂的复合材料(玻璃钢)和 20 世纪 70 年代以碳纤维增强树脂的复合材料(先进复合材料) 是两代具有代表性的复合材料。这两代材料首先在航空航天和国防领域得到青睐和应用，后来逐渐扩大到体育休闲、土木建筑、基础设施、现代交通、海洋工程和能源等诸多领域，使得复合材料的需求越来越强烈，作用越来越显著，应用领域越来越广泛，用量也越来越多，而相应的复合材料科学与技术也在不断地丰富和发展。随着纳米技术的出现和不断发展，纳米复合材料已经凸显了很多优异的性能，从一定意义上有力地推进了新一代高性能复合材料的发展。纳米化与复合化已经成为新材料研发和推动新材料进步的重要手段和发展方向。 纳米复合材料是指以树脂、橡胶、陶瓷和金属等基体为连续相，以纳米尺寸的颗粒、纤维、纳米管等为分散相，通过合适和特殊的制备工艺将纳米相均匀地分散在基体材料中，具有特殊性能的新型复合材料。本研究的重点是讨论聚合物基纳米复合材料的研究概况，系统介绍利用碳纳米管、石墨烯、碳纳米纸、纳米界面改性等提升和改善复合材料力学性能及物理性能的机理与作用。 1 纳米增强复合材料 纳米复合材料的性能依据其基体材料和纳米增强相种类的不同而差异巨大，因此提高力学性能是纳米复合材料研究领域中最具代表性的研究工作之一。纳米相对聚合物基体的力学性能改性主要包括强度、模量、形变能力、疲劳、松弛、蠕变、动态热机械性能等。 1.1 碳纳米管纳米复合材料 碳纳米管是由碳原子形成的石墨片层卷成的无缝、中空管体，可依据石墨片层的数量分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。由于纳米中空管及螺旋度共同作用，碳纳米管具有极高的强度和理想的弹性，其弹性模量甚至可达1.3 TPa，与金刚石
碳纳米管性质及应用
碳纳米管性质及应用 摘要:碳纳米管的发现是现代科学界的重大发现之一。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。本文简单综述碳纳米管的基本性质及应用。 关键词：碳纳米管；结构；制备；性质；应用 1 碳纳米管的发现 1991年，日本NEC科学家Lijima在制取C60的阴极结疤中首次采用高分辨隧道电子显微镜(HRTEM)发现一种外径为515nm、内径213nm、仅由两层同轴类石墨圆柱面叠合而成的碳结构。进一步的分析表明，这种管完全由碳原子构成，并看成是由单层石墨六角网面以其上某一方向为轴，卷曲360°而形成的无缝中空管。相邻管子之间的距离约为0.34nm，与石墨中碳原子层与层之间的距离0.335nm相近，所以这种结构一般被称为碳纳米管，这是继C60之后发现的碳的又一同素异形体，是碳团簇领域的又一重大科研成果[1]。 2 碳纳米管的结构 碳纳米管（CNT）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。它是由单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷绕而成的无缝、中空的“微管”，每层由一个碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形组成的圆柱面。根据形成条件的不同，碳纳米管存在多壁碳纳米管(MWNTs)和单壁碳纳米管(SWNTs) 两种形式。MWNTs一般由几层到几十层石墨片同轴卷绕构成，层间间距为0.34nm左右，其典型的直径和长度分别为 2-30nm0.1-50μm.SWNTs由单层石墨片同轴卷绕构成，其侧面由碳原子六边形排列组成，两端由碳原子的五边形封顶。管径一般从10-20nm，长度一般可达数十微米，甚至长达20cm[2]。 3碳纳米管的制备 碳纳米管的合成技术主要有：电弧法、激光烧蚀(蒸发)法、催化裂解或催化化学气相沉积法(CCVD),以及在各种合成技术基础上产生的定向控制生长法等。 3.1电弧法利用石墨电极放电获得碳纳米管是各种合成技术中研究得最早的一种。研究者在优化电弧放电法制取碳纳米管方面做了大量的工作.T. W. Ebbeseo在He保护介质中石墨电弧放电，首次使碳纳米管的合成达到了克量级。为减少相互缠绕的碳纳米管在阴极上的烧结，D.T.Collbert将石墨阴极与水冷铜阴极座连接，大大减少了碳纳米管缺陷。C. Journet等在阳极中填人石墨粉末和铱的混合物，实现了SWNTs的大量制备。研究发现，铁组金属、一些稀土金属和铂族元素或以单个金属或以二金属混合物均能催化SWNTs合成。 近年来，人们除通过调节电流、电压，改变气压及流速，改变电极组成，改进电极进给方式等优化电弧放电工艺外，还通过改变打弧介质，简化电弧装置。 综上所述，电弧法在制备碳纳米管的过程中通过改变电弧放电条件、催化剂、电极尺寸、进料方式、极间距离以及原料种类等手段而日渐成熟。电弧法得到的碳纳米管形直，壁簿(多壁甚至单壁).但产率偏低，电弧放电过程难以控制，制备
碳纤维及其复合材料的发展及应用_上官倩芡
第37卷第3期上海师范大学学报(自然科学版)Vol.37,N o.3 2008年6月J ou rnal of ShanghaiNor m alUn i versity(Natural S ci en ces)2008,J un 碳纤维及其复合材料的发展及应用 上官倩芡,蔡泖华 (上海师范大学机械与电子工程学院,上海201418) 摘要:叙述了碳纤维的结构形态、分类以及在力学、物理、化学方面的性能,介绍了碳纤维增强复合材料的特性,着重阐述了碳纤维增强树脂基复合材料中基体的分类、选择和应用,指出了碳纤维及其复合材料进一步发展的趋势. 关键词:碳纤维;复合材料 中图分类号:O636文献标识码:A文章编号:1000-5137(2008)03-0275-05 碳纤维作为一种高性能纤维,具有高比强度、高比模量、耐高温、抗化学腐蚀、耐辐射、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能.此外,还具有纤维的柔曲性和可编性[1~3].碳纤维既可用作结构材料承载负荷,又可作为功能材料发挥作用.因此碳纤维及其复合材料近几年发展十分迅速.本文作者就碳纤维的特性、分类及其在复合材料领域的应用等内容进行介绍. 1碳纤维特性、结构及分类 碳纤维是纤维状的碳材料,由有机纤维原丝在1000e以上的高温下碳化形成,且含碳量在90%以上的高性能纤维材料.碳纤维主要具备以下特性:1密度小、质量轻,碳纤维的密度为1.5~2g/c m3,相当于钢密度的1/4、铝合金密度的1/2;o强度、弹性模量高,其强度比钢大4~5倍,弹性回复为100%;?热膨胀系数小,导热率随温度升高而下降,耐骤冷、急热,即使从几千摄氏度的高温突然降到常温也不会炸裂;?摩擦系数小,并具有润滑性;?导电性好,25e时高模量碳纤维的比电阻为775L8/c m,高强度碳纤维则为1500L8/c m;?耐高温和低温性好,在3000e非氧化气氛下不熔化、不软化,在液氮温度下依旧很柔软,也不脆化;?耐酸性好,对酸呈惰性,能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀[4~7].除此之外,碳纤维还具有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性. 碳纤维的结构取决于原丝结构和碳化工艺,但无论用哪种材料,碳纤维中碳原子平面总是沿纤维轴平行取向.用X-射线、电子衍射和电子显微镜研究发现,真实的碳纤维结构并不是理想的石墨点阵结构,而是属于乱层石墨结构[8],如图1所示.构成此结构的基元是六角形碳原子的层晶格,由层晶格组成层平面.在层平面内的碳原子以强的共价键相连,其键长为0.1421n m;在层平面之间则由弱的范德华力相连,层间距在0.3360~0.3440n m之间;层与层之间碳原子没有规则的固定位置,因而层片边缘参差不齐.处于石墨层片边缘的碳原子和层面内部结构完整的基础碳原子不同.层面内部的基础碳原子所受的引力是对称的,键能高,反应活性低;处于表面边缘处的碳原子受力不对称,具有不成对电子,活性 收稿日期:2008-01-04 基金项目:上海市教委科研基金项目(06D Z034). 作者简介:上官倩芡(1974-),女,上海师范大学机械与电子工程学院副教授.
聚合物基纳米复合材料的结构与性能研究
聚合物基纳米复合材料的结构与性能研究 摘要：聚合物的结构与性能是材料科学研究的重点。通过改变或优化材料的结构，而得到性能更为优越的材料也一直是人们的研究方向，随着研究的不断深入，所采取的方法也越来越为多元化，其中，在高分子聚合物材料中引入纳米结构就是材料改型的一种办法。以下对聚合物基纳米复合材料的结构和性能的研究作一总结。分析了由插层复合法、溶胶一凝胶法和纳米微粒直接共混法制备的聚合物基纳米复合材料的结构和性能的紧密联系。 关键词：高分子聚合物；纳米材料；结构；性能 1、引言 1.1高分子聚合物材料概述[1] 材料是各门科学技术应用和发展的基础和载体。按照传统的分类，可将材料分为金属、半导体、陶瓷和有机高分子材料，而在科学技术迅速发展的今天，与其它材料相比，聚合物材料的研究与应用呈现非常快的增长趋势，有着广阔的发展前景。 聚合物材料作用和功能的发挥，与它的结构有着密切的关系。为了合成具有指定性能的高分子材料，人们总是从化学结构开始设想，为了改进高分子材料的某种性能，人们也总是首先从改变其结构入手。无数的事实表明：人们无时无刻不在利用高聚物结构与性能间的关系，根据需要选择高分子材料，改性高分子材料，创造高新的高分子材料。高聚物结构与性能间的关系是高分子材料设计的基础，同时也是确定高分子材料加工成型工艺的依据。 对于实际应用中的高分子材料或制品，有的时候它们的高级结构，如相态结构和聚集态结构，对高分子材料、尤其是高分子功能材料的影响更为明显，并且其使用性能直接决定于加工成形过程中的聚集态结构，因此对高分子聚集态结构的研究有着重要的理论意义和实际意义。了解高分子聚集态结构特征、形成条件及其与材料性能之间的关系，对于获得具有理想性能的材料是必不可少的，同时也可为新型高聚物材料的物理改性和材料设计提供科学的依据。 高分子聚合物的结构主要包括高分子链结构和聚集态结构。高分子链结构分为近程结构和远程结构，近程结构包括化学组成、单体单元的键合（键合方式、序列）、高分子的构型（结构单元空间排列）、单个高分子链的键接（交联与支化）。远程结构包括高分子的大小（分子量及其分布）、高分子链的尺寸（末端距、旋转半径）、高分子的形态（构象、柔性、刚性）。高分子的聚集态结构包括晶态、非晶态、取向态、液晶态、织态等。 高分子结构特点主要有五点：①链式结构②链的柔顺性③不均一性（多分散性）④聚集态结构的复杂性。⑤交联网状结构。聚集态结构是决定高分子材料使用性能的直接因素，交联程度对橡胶弹性体或热固性聚合物这类材料的力学性能有重要影响。除了一级结构，即分子链的化学结构，还有其高级结构，即高聚物在宏观上体现为若干高分子链以一定的规律堆集形成的状态，这种高分子链之间的排列和堆砌结构称为聚集态结构。高分子的链结构影响高分子的运动方式和堆砌方式，凝聚态结构将直接影响材料的力学、光学、热学、声学、电学等使用性能。经验证明：即使有同样链结构的同一种高聚物，由于加工成型条件不同，制品性能也有很大差别。例如：缓慢冷却的PET（涤纶片）是脆性的；迅速冷却，双轴拉伸的PET（涤纶薄膜）是韧性很好的材料。 对于高分子材料来讲，它具有密度小、强度高，易加工等优良性能，并且易于通过化学和物理方法进等行改性特性而拓展其应用范围。
碳纳米管的制备
常用的碳纳米管制备方法主要有：电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法（碳氢气体热解法）、固相热解法、辉光放电法、气体燃烧法以及聚合反应合成法等。 电弧放电法 碳纳米管制备 电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。1991年日本物理学家饭岛澄男就是从电弧放电 法生产的碳纤维中首次发现碳纳米管的。电弧放电法的具体过程是：将石墨电极置于充满氦气或氩气的反应容器中，在两极之间激发出电弧，此时温度可以达到4000度左右。在 这种条件下，石墨会蒸发，生成的产物有富勒烯（C60）、无定型碳和单壁或多壁的碳纳 米管。通过控制催化剂和容器中的氢气含量，可以调节几种产物的相对产量。使用这一方法制备碳纳米管技术上比较简单，但是生成的碳纳米管与C60等产物混杂在一起，很难 得到纯度较高的碳纳米管，并且得到的往往都是多层碳纳米管，而实际研究中人们往往需要的是单层的碳纳米管。此外该方法反应消耗能量太大。有些研究人员发现，如果采用熔融的氯化锂作为阳极，可以有效地降低反应中消耗的能量，产物纯化也比较容易。 发展出了化学气相沉积法，或称为碳氢气体热解法，在一定程度上克服了电弧放电法的缺陷。这种方法是让气态烃通过附着有催化剂微粒的模板，在800~1200度的条件下，气态 烃可以分解生成碳纳米管。这种方法突出的优点是残余反应物为气体，可以离开反应体系，得到纯度比较高的碳纳米管，同时温度亦不需要很高，相对而言节省了能量。但是制得 的碳纳米管管径不整齐，形状不规则，并且在制备过程中必须要用到催化剂。这种方法的主要研究方向是希望通过控制模板上催化剂的排列方式来控制生成的碳纳米管的结构，已经取得了一定进展。 激光烧蚀法 激光烧蚀法的具体过程是：在一长条石英管中间放置一根金属催化剂/石墨混合的石墨靶，该管则置于一加热炉内。当炉温升至一定温度时，将惰性气体冲入管内，并将一束激光聚焦于石墨靶上。在激光照射下生成气态碳，这些气态碳和催化剂粒子被气流从高温区带向低温区时，在催化剂的作用下生长成CNTs。 固相热解法
聚合物基复合材料
聚合物基复合材料 摘要：聚合物基复合材料以其特有的性能近年来越来越受到人们的青睐。本文简单的介绍了聚合物基复合材料，描述了其作为一种新材料的性能特点，并详细描述了其发展历史及应用。 关键词：聚合物、复合材料、应用、历史 1、聚合物基复合材料 复合材料是指：两个或两个以上独立的物理相，包括粘接材料（基体）和粒料纤维或片状材料所组成的一种固体物。 (1) 复合材料的组分材料虽然保持其相对独立性，但复合材料的性能却不是各组分材料性能的简单加和，而是有着重要的改进。（2）复合材料中通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强材料。（3）分散相是以独立的形态分布在整个连续相中，两相之间存在着界面。分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料。 聚合物基复合材料（PMC）是以有机聚合物（主要为热固性树脂、热塑性树脂及橡胶）为基体，连续纤维为增强材料组合而成的。聚合物基体材料虽然强度低，但由于其粘接性能好，能把纤维牢固地粘接起来，同时还能使载荷均匀分布，并传递到纤维上去，并允许纤维承受压缩和剪切载荷。而纤维的高强度、高模量的特性使它成为理想的承载体。纤维和基体之间的良好的结合，各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求，充分展示各自的优点，并能实现最佳结构设计、具有许多优良特性。 实用PMC通常按两种方式分类。一种以基体性质不同分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料；另一种按增强剂类型及在复合材料中分布状态分类。如：玻璃纤维增强热固性塑料(俗称玻璃钢)、短切玻璃纤维增强热塑性塑料、碳纤维增强塑料、芳香族聚酰胺纤维增强塑料、碳化硅纤维增强塑料、矿物纤维增强塑料、石墨纤维增强塑料、木质纤维增强塑料等。这些聚合物基复合材料具有上述共同的特点，同时还有其本身的特殊性能。通常意义上的聚合物基复合材料一般就是指纤维增强塑料。 而聚合物基复合材料一般都具有以下特性： 1. 比强度、比模量大。比强度和比模量是度量材料承载能力的一个指标，比强度越高，同一零件的自重越小；比模量越高，零件的刚性越大。复合材料的比强度和比模量都比较大，例如碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，其比强度是钢的
聚合物基复合材料精彩试题
第一章 聚合物合金的概念、合金化技术的特点？ 聚合物合金：有两种以上不同的高分子链存在的多组分聚合物体系 合金化技术的特点:1、开发费用低，周期短，易于实现工业化生产。2、易于制得综合性能优良的聚合物材料。3、有利于产品的多品种化和系列化。 热力学相容性和工艺相容性的概念？ 热力学相容性：达到分子程度混合的均相共混物，满足热力学相容条件的体系。 工艺相容性：使用过程中不会发生剥离现象具有一定程度相容的共混体系。 如何从热力学角度判断聚合物合金的相容性？ 1、共混体系的混合自由能（ΔG M ）满足ΔG M =ΔH M -TΔS M <0 2、聚合物间的相互作用参数χ 12 为负值或者小的正值。 3、聚合物分子量越小，且两种聚合物分子量相近。 4、两种聚合物的热膨胀系数相近。 5、两种聚合物的溶度参数相近。 *思考如何从改变聚合物分子链结构入手，改变聚合物间的相容性？ 1、通过共聚使分子链引入极性基团。 2、对聚合物分子链化学改性。 3、通过共聚使分子链引入特殊相互作用基团。 4、形成IPN或交联结构。 5、改变分子量。 第二章 *列举影响聚合物合金相态结构连续性的因素，并说明分别是如何影响的？ 组分比：含量高的组分易形成连续相； 黏度比：黏度低的组分流动性较好，容易形成连续相； 内聚能密度：内聚能密度大的聚合物，在共混物中不易分散，容易形成分散相；溶剂类型：连续相组分会随溶剂的品种而改变； 聚合工艺：首先合成的聚合物倾向于形成连续性程度大的相。 说明聚合物合金的相容性对形态结构有何影响？
共混体系中聚合物间的工艺相容性越好，它们的分子链越容易相互扩散而达到均匀的混合，两相间的过渡区越宽，相界面越模糊，分散相微区尺寸越小。完全相容的体系，相界面消失，微区也随之消失而成为均相体系。两种聚合物间完全不相容的体系，聚合物之间相互扩散的倾向很小，相界面和明显，界面黏接力很差，甚至发生宏观的分层剥离现象。 什么是嵌段共聚物的微相分离？如何控制嵌段共聚物的微相分离结构？ 微相分离：由化学键相连接的不同链段间的相分离 控制溶剂、场诱导、特殊基底控制、嵌段分子量来控制 *简述聚合物合金界面层的特性及其在合金中所起的作用。 特性：1、两种分子链的分布是不均匀的，从相区到界面形成一浓度梯度；2、分子链比各自相区内排列松散，因而密度稍低于两相聚合的平均密度；3、界面层内易聚集更多的表面活性剂、其他添加剂、分子量较低的聚合物分子。 作用：力的传递效应；光学效应；诱导效应。 第三章 简述橡胶增韧塑料的形变机理及形变特点。 形变机理：银纹化和剪切带形变 特点：1、橡胶的存在有利于发生屈服形变；2、力学性能受形变机理影响 简述橡胶增韧塑料形变机理的研究方法及影响形变机理的因素。 定量研究：高精度的蠕变仪同时测定试样在张应力作用下的纵向和横向形变 影响因素：树脂基体；应力和应变速率；温度；橡胶含量；拉伸取向 简述橡胶增韧塑料的增韧机理，并列举实例加以说明。 多重银纹化增韧理论：在橡胶增韧的塑料中，由于橡胶粒子的存在，应力场不再是均匀的，橡胶粒子起着应力集中的作用。（脆性玻璃态高聚物受外力作用发生银纹形变时材料韧性很差） 银纹-剪切带增韧机理：银纹和剪切到之间存在着相互作用和协同作用。（ABS 拉伸过程中既有发白现象，又有细颈形成） 试比较橡胶增韧塑料和刚性粒子工程塑料的异同点。 1、增韧剂种类不同； 2、增韧的对象不同； 3、增韧剂含量对增韧效果的影响不同； 4、改善聚合物合金性能的效果不同； 5、增韧机理不同； 6、对两相界面黏结强度的要求是相同 第四章
复合材料的发展前景,发展与应用
复合材料的发展及应用 随着科学技术迅速发展，特别是尖端科学技术的突飞猛进，对材料性能提出越来越高,越来越严和越来越多的要求。在许多方面，传统的单一材料已不能满足实际需要。这时候复合材料就出现在了这百家争鸣的舞台上。 基本概论 复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。此定义来自ISO。在复合材料中，通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强材料。从上述定义中可以看出，复合材料是两个或多个连续相与一个或多个分散相在连续相中的复合，复合后的产物为固体时才称为复合材料。所以我们可根据增强材料与基体材料的名称来给复合材料命名，增强基体复合材料。如：玻璃钎维环氧树脂复合材料，可写作玻璃/环氧复合材 料。 分类与性能 按增强材料形态分类可分为（1）连续纤维复合材料；（2）短纤维复合材料；（3）粒状填料复合材料；（4）编织复合材料。按增强纤维种类分类可分为（1)玻璃纤维复合材料；（2）碳纤维复合材料；（3）有机，金属，陶瓷纤维复合材料。在此篇文章中主要讨论以基体材料分类的几种复合材料。1.聚合物基复合材料——比强度，比模量大；耐疲劳性好；减震性好；过载时安全性好；具有多种功能性；
有很好的加工工艺性。2金属基复合材料——高比强度，高比模量；导热，导电性能；热膨胀系数小，尺寸稳定性好；良好的高温性能；耐磨性好；良好的疲劳性能和断裂韧性；不吸潮，不老化，气密性好。此外还有陶瓷，水泥基复合材料，都有与上类似的特点。 基体材料 一：金属材料 选择基体的原则：使用要求，组成特点，基体金属与增强物的相 容性。 结构复合材料的基体：450℃以下的轻金属基体（“铝基和镁基”用于航天飞机，人造卫星，空间站，汽车发动机零件，刹车盘等）；450-700℃的复合材料的金属基体（“钛合金”用于航天发动机）；1000℃以上的高温复合材料的金属基体（“镍基，铁基耐热合金和金属间化合物”用于燃气轮机）。 二：陶瓷材料 陶瓷是金属和非金属元素的固体化合物，其键合为共价键或离子键，与金属不同，它们不含有大量的电子。一般而言，陶瓷具有比金属更高的熔点和硬度，化学性质非常稳定，耐热性，抗老化性皆佳。常用的陶瓷基体主要包括玻璃（无机材料高温烧结），玻璃陶瓷，氧化物陶瓷（MgO，Al2O3，SiO2，莫来石等），非氧化物陶瓷（氮化物，碳化物，硼化物和硅化物等）。 三：聚合物材料
聚合物基纳米复合材料的近代发展
汽车发动机地技术现状及发展趋势 摘要：自汽车发明以来,为人们地出行运输带来了极大地便利,促进了人类地大发展,一百多年后地今天,相关技术不断创新和走向成熟.但随之而来地问题则是,全球石油能源紧张,空气污染.因此,先进地发动机技术将在汽车节能、环保技术开发中起着关键地决定性地作用. 关键词：汽油直喷技术 碳纳米管的制备方法 摘要：本文简单介绍了碳纳米管的结构性能，主要介绍碳纳米管的制备方 法， 包括石墨电弧法、催化裂解法，激光蒸发法等方法,也对各种制备方法的优缺 点进行 了阐述。 关键词：碳纳米管制备方法 Preparation of carbon nanotubes Abstract： The structure and performance of carbon nanotubes are briefly introduced, and some synthesis methods, including graphite arc discharge method, catalytic cracking method, laser evaporation method and so on, are reviewed. And the advantages and disadvantages of various preparation methods are also described. Key words：carbon nanotubes methods of preparation 纳米材料被誉为是21世纪最重要材料，是构成未来智能社会的四大支柱之一 ,而碳纳米管是纳米材料中最富有代表性，并且是性能最优异的材料。碳纳米管是碳 的一种同素异形体，它包涵了大多数物质的性质，甚至是两种相对立的性质，如从高 硬度到高韧性，从全吸光到全透光、从绝热到良导热、绝缘体/半导体/高导体和高临界温度的超导体等。正是由于碳纳米材料具有这些奇异的特性，被发现的短短十几年 来，已经广泛影响了物理、化学、材料等众多科学领域并显示出巨大的潜在应用前景。 碳纳米管又名巴基管，即管状的纳米级石墨晶体。它具有典型的层状中空结构， 构成碳纳米管的层片之间存在一定夹角，管身是准圆筒结构，并且大多数由五边形截 面组成，端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构。是一种具有特殊结构（径向 尺寸为纳米量级、轴向尺寸为微米两级，管子两端基本上都封口）的一维纳米材料。 碳纳米管存在多壁碳纳米管(MWNTS)和单壁碳纳米管（SWNTS）两种形式。单层碳纳米管结构模型如图1所示。理想的多层碳纳米管可看成多个直径不等的单层管同轴套构而成，层数可以从二层到几十层，层与层之间保持固定距离约为0.34nm，直径一般为2~20nm.但实际制备的碳纳米管并不完全是直的或直径均匀的，而是局部 1 区域出现凸凹弯曲现象，有时会出现各种形状如L、T、Y形管等。研究认为所有这 些形状的出现是由于碳六边形网络中引入五边形和七边形缺陷所致。五边形的引入引 起正弯曲，七边形的引入引起负弯曲。 复合材料的发展和应用的论文 全球复合材料发展概况 复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。 随着科技的发展，树脂与玻璃纤维在技术上不断进步，生产厂家的制造能力普遍提高，使得玻纤增强复合材料的价格成本已被许多行业接受，但玻纤增强复合材料的强度尚不足以和金属匹敌。因此，碳纤维、硼纤维等增强复合材料相继问世，使高分子复合材料家族更加完备，已经成为众多产业的必备材料。目前全世界复合材料的年产量已达550多万吨，年产值达1300亿美元以上，若将欧、美的军事航空航天的高价值产品计入，其产值将更为惊人。从全球范围看，世界复合材料的生产主要集中在欧美和东亚地区。近几年欧美复合材料产需均持续增长，而亚洲的日本则因经济不景气，发展较为缓慢，但中国尤其是中国内地的市场发展迅速。据世界主要复合材料生产商ppg公司统计，2000年欧洲的复合材料全球占有率约为32%，年产量约200万吨。与此同时，美国复合材料在20世纪90年代年均增长率约为美国gdp增长率的2倍，达到4%~6%。2000年，美国复合材料的年产量达170万吨左右。特别是汽车用复合材料的迅速增加使得美国汽车在全球市场上重新崛起。亚洲近几年复合材料的发展情况与政治经济的整体变化密切相关，各国的占有率变化很大。总体而言，亚洲的复合材料仍将继续增长，2000年的总产量约为145万吨，预计2005年总产量将达180万吨。 从应用上看，复合材料在美国和欧洲主要用于航空航天、汽车等行业。2000年美国汽车零件的复合材料用量达万吨，欧洲汽车复合材料用量到2003年估计可达万吨。而在日本，复合材料主要用于住宅建设，如卫浴设备等，此类产品在2000年的用量达万吨，汽车等领域的用量仅为万吨。不过从全球范围看，汽车工业是复合材料最大的用户，今后发展潜力仍十分巨大，目前还有许多新技术正在开发中。例如，为降低发动机噪声，增加轿车的舒适性，正着力开发两层冷轧板间粘附热塑性树脂的减振钢板；为满足发动机向高速、增压、高负荷方向发展的要求，发动机活塞、连杆、轴瓦已开始应用金属基复合材料。为满足汽车轻量化要求，必将会有越来越多的新型复合材料将被应用到汽车制造业中。与此同时，随着近年来人们对环保问题的日益重视，高分子复合材料取代木材方面的应用也得到了进一步推广。例如，用植物纤维与废塑料加工而成的复合材料，在北美已被大量用作托盘和包装箱，用以替代木制产品；而可降解复合材料也成为国内外开发研究的重点。 另外，纳米技术逐渐引起人们的关注，纳米复合材料的研究开发也成为新的热点。以纳米改性塑料，可使塑料的聚集态及结晶形态发生改变，从而使之具有新的性能，在克服传统材料刚性与韧性难以相容的矛盾的同时，大大提高了材料的综合性能。 树脂基复合材料的增强材料 树脂基复合材料采用的增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。 1、玻璃纤维 目前用于高性能复合材料的玻璃纤维主要有高强度玻璃纤维、石英玻璃纤维和高硅氧玻璃纤维等。由于高强度玻璃纤维性价比较高，因此增长率也比较快，年增长率达到10%以上。高强度玻璃纤维复合材料不仅应用在军用方面，近年来民用产品也有广泛应用，如防弹头盔、防弹服、直升飞机机翼、预警机雷达罩、各种高压压力容器、民用飞机直板、体育用品、各类耐高温制品以及近期报道的性能优异的轮胎帘子线等。石英玻璃纤维及高硅氧玻璃 聚合物基纳米无机复合材料的应用与发展 摘要：聚合物基纳米无机复合材料是一种性能优异的新型复合材料,已成为材料科学的新热点。本文概述了聚合物基纳米无机复合材料的发展前景及发展过程中应注意的问题。及相应的解决方法。 关键词：聚合物;纳米;无机物;复合材料 1.纳米复合材料的概念、特性、背景 1.1纳米复合材料的概念 纳米复合材料是指一种或多种组分以纳米量级的微粒,即接近分子水平的微粒复合于基质中构成的一类新型复合材料。因其分散相尺寸介于宏观与微观之间的过渡区域,从而给材料的物理和化学性质带来特殊的变化,纳米复合材料正日益受到关注,被誉为“21世纪最有前途的材料”,其研究的种类已涉及无机物、有机物及非晶态材料等。聚合物基纳米无机复合材料因其综合了有机物和无机物的各自优点,且能在力学、热学、光学、电磁学与生物学等方面赋予材料许多优异的性能,正成为材料科学研究的热点之一[1]。 1.2纳米复合材料的特性 当材料粒子尺寸进入纳米量级时,因其自身具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应,以及纳米固体粒子中大量缺陷的存在,使得聚合物基纳米无机复合材料具有与众不同的特点[2]。纳米复合材料是继单组分材料、复合材料和梯度功能材料之后的第四代材料。 1.3纳米复合材料的背景 纳米复合材料的出现先于概念的形成。早在上世纪年代末, 实际上就已出现了聚合物心纳米复合材料, 只是人们还未认识到其特殊的性能与实际应用意义〕。纳米复合材料是年代初〕提出的, 与单一相组成的纳米结晶材料和纳米相材料不同, 它是由两种或两种以上的吉布斯固相至少在一个方向以纳米级复合而成的复合材料, 这些固相可以是非晶质、半晶质、晶质或者兼而有之, 而且可以是无机、有机或二者都有。纳米相与其它相间通过化学共价键、赘合键与物理氢键等作用在纳米水平上复合, 即相分离尺寸不得超过纳米数量级。因而, 它与具有较大微相尺寸的传统的复合材料在结构和性能上有明显的区别, 近些年已成为聚合物化学和物理、物理化学和材料科学等多门学科交叉的前沿领域, 受到各国科学家和政府的重视。 2.纳米无机复合材料相关应用与发展 材料性能与组织结构有密切关系。与其他材料相比,纳米复合材料的物相之间有更加明显并呈规律变化的几何排列与空间结构属性,因此聚合物基纳米复合材料具有灵活的结构可设计性及优于一般传统复合材料的特性,在许多领域有着广泛的应用前景。 2.1吸波材料 根据目前吸波材料的发展现状,一种类型的材料很难满足日益提高的隐身技术提出的“薄、宽、轻、强”的综合要求[3 ] ,采用质量轻的有机聚合物作基体,无机吸收剂作客体进行多元复合制备吸波材料就成了必然趋势。另外,具有共轭电子体系结构,通过掺杂而成的导电聚合物(如聚乙炔、聚苯胺、聚苯硫醚、聚吡咯、聚噻吩) 本身就有较好的微波吸收性能,一些聚合物还具有红外活性或红外特征吸收带[4 ,5 ] ,利于红外吸波。聚合物基纳米无机复合材料可以方便地调节复合物的电磁参数,以达到阻抗匹配的要求,且价廉。美国F117 飞机蒙皮上的隐身材料就含有多种超微粒子,它们对不同频段的电磁波有强烈的吸收能力[6] 。碳纳米管的制备方法
复合材料的发展和应用的论文
聚合物基纳米复合材料的近代发展