碳納米管復(fù)合材料制備及其性質(zhì)研究.pdf

1、納米材料具有很大比表面積，特殊的結(jié)構(gòu)使得納米材料具有獨(dú)特的體積效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)，從而使其具有奇異的力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、化學(xué)活性、催化和超導(dǎo)性能等特性，使納米材料在國(guó)防、電子、化工、冶金、輕工、航空、陶瓷、核技術(shù)、催化劑、醫(yī)藥等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。 碳納米管(CNTs)具有完美的結(jié)構(gòu)，是典型的一維納米材料，它獨(dú)特的物理結(jié)構(gòu)，優(yōu)異的性能和廣闊的應(yīng)用前景受到了人們的廣泛關(guān)注。在一維方向上碳納

2、米管的強(qiáng)度可以超過(guò)鋼絲，盡管CNTs的尺寸只有頭發(fā)絲的十萬(wàn)分之一，但是它的楊氏模量理論強(qiáng)度可以達(dá)到1.0TPa,是鋼的100倍，同時(shí)它的密度卻僅為鋼的六分之一到七分之一。 CNTs的熔點(diǎn)是已知材料中最高的，它的硬度可以和金剛石相媲美。碳納米管有超高的韌性，可以拉伸，其韌性理論最大延伸率可達(dá)20％。CNTs化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿，在空氣中700℃以下基本不氧化。這些優(yōu)點(diǎn)使得碳納米管作為納米材料中最具潛力的材料之一，被認(rèn)為是納米

3、材料的理想添加相。但是，通常碳納米管不溶解不熔融也不易加工，作為一種納米尺寸的材料還極易發(fā)生團(tuán)聚，使其進(jìn)一步開(kāi)發(fā)與應(yīng)用受到很大的限制。因此對(duì)碳納米管進(jìn)行改性和應(yīng)用研究引起人們濃厚的興趣。 科學(xué)家們目前在實(shí)驗(yàn)室中將其作為增強(qiáng)體來(lái)大幅度提高材料的強(qiáng)度或者韌性等力學(xué)綜合性能；或利用其良好的電學(xué)性能和磁學(xué)性能，將其作為改性體來(lái)大幅度提高材料導(dǎo)電性、電磁屏蔽性能和光電子發(fā)射性等。 碳納米管不僅具有優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)，能大幅度

4、提高摻雜有碳納米管復(fù)合材料的抗沖擊、提高剪切能力，提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性外，還能夠有效地促進(jìn)生物物質(zhì)，(如蛋白質(zhì)，多巴胺)、環(huán)境物質(zhì)的電子傳遞，近年來(lái)，有關(guān)碳納米管的電化學(xué)活性機(jī)理與其形態(tài)結(jié)構(gòu)、制備方法和表面修飾等方面的研究也日益受到人們的關(guān)注。目前，國(guó)內(nèi)外納米材料的研究和應(yīng)用已經(jīng)有了很大的進(jìn)展，但距離工業(yè)化生產(chǎn)和大規(guī)模普及應(yīng)用還有一定距離。 本文綜述了當(dāng)前碳納米管納米復(fù)合材料的最新研究進(jìn)展，緊緊圍繞碳納米管納米復(fù)合材料這個(gè)當(dāng)前研

5、究熱點(diǎn)，重點(diǎn)做了三個(gè)方面的研究：對(duì)CNTs進(jìn)行化學(xué)改性后研究其與丙烯腈系列樹(shù)脂共聚，制備碳納米管-丙烯腈系列復(fù)合材料，并研究其摩擦學(xué)和顯微硬度性質(zhì)；利用CNTs能有效促進(jìn)生物物質(zhì)的電子傳遞特性，將CNTs進(jìn)行酸化處理后復(fù)合在玻碳電極上來(lái)測(cè)量對(duì)多巴胺催化的；利用CNTs大的比表面積和納米粒子的表面效應(yīng)、量子效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)，在碳納米管表面可控性沉積納米尺寸的金屬銀粒子以期獲得理想的金屬-CNTs復(fù)合材料。 本論文的主要研究?jī)?nèi)容：

6、 1、對(duì)多壁碳納米管進(jìn)行了酸化處理，經(jīng)過(guò)拉曼光譜表征，多壁碳納米管的特征強(qiáng)峰出現(xiàn)在1580cm-1處，說(shuō)明多壁碳納米管的結(jié)構(gòu)并未受到破壞。經(jīng)傅里葉紅外光譜表征，在碳納米管紅外光譜圖上出現(xiàn)了1736cm-1叫左右的羧基特征峰，1601 cm-1處的羰基特征峰和1211cm-1左右的羥基面內(nèi)彎曲振動(dòng)峰。說(shuō)明CNTs經(jīng)純化和活化處理后，在其管壁上己經(jīng)接上了羥基(-OH)，羰基(>C=O)和羧基(-COOH)這些功能性官能團(tuán)。 2

7、、采用原位復(fù)合法，對(duì)丙烯腈-苯乙烯(AS)進(jìn)行改性，得到復(fù)合效果良好的丙烯腈-苯乙烯-CNTs(AS-CNTs)共聚物納米復(fù)合材料。經(jīng)過(guò)對(duì)其摩擦學(xué)性質(zhì)和顯微硬度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)摻雜CNTs的AS系列復(fù)合材料的摩擦學(xué)性質(zhì)和顯微硬度都有不同程度的提高，摻雜1.5％CNTs的復(fù)合材料表現(xiàn)有最佳的綜合性能。經(jīng)FE-TEM電鏡對(duì)AS和AS-CNTs的磨痕進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)摻雜有CNTs的納米復(fù)合材料的磨痕的相對(duì)于未摻雜的AS磨痕，其磨痕明顯地淺，而且光滑、

8、整齊。 3、用甲基丙烯酸甲酯(AMMA)對(duì)丙烯腈進(jìn)行改性，再摻雜CNTs，測(cè)試其摩擦學(xué)性質(zhì)和顯微硬度，用電鏡觀察其結(jié)構(gòu)得到與用苯乙烯改性丙烯腈類似的結(jié)果。 4、對(duì)AS樹(shù)脂進(jìn)行改性，復(fù)合進(jìn)甲基丙烯酸甲酯，結(jié)果得到透明的改性材料AMS，再?gòu)?fù)合進(jìn)CNTs，測(cè)試其摩擦學(xué)性質(zhì)和顯微硬度，發(fā)現(xiàn)均有不同程度的提高。 5、利用碳納米管對(duì)生物物質(zhì)具有支持電子傳遞的性質(zhì)，將碳納米管進(jìn)行氧化處理，然后用nafion復(fù)合在玻碳電極上，在

9、多種環(huán)境中測(cè)量對(duì)多巴胺(DA)催化的靈敏度，發(fā)現(xiàn)在多種環(huán)境和干擾物質(zhì)(UA和AA等電位反應(yīng)相近的神經(jīng)遞質(zhì))存在下，電極響應(yīng)具有很高的靈敏性和選擇性。 6、利用碳納米管具有大的比表面積的特性，期望將納米金屬顆粒負(fù)載于CNTs表面，設(shè)計(jì)出催化效率更為高效的納米型催化復(fù)合材料。本實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)研究，設(shè)計(jì)出一個(gè)方便快捷的實(shí)驗(yàn)方法，利用芐醇可以方便地、可控地將銀離子負(fù)載于CNTs的表面。經(jīng)過(guò)紅外、紫外、XRD、TEM等表征手段表征，發(fā)現(xiàn)還原沉積