導電納米纖維及其復合材料的制備與性能研究.pdf

1、導電納米纖維具有高比表面積、大的長徑比、以及優(yōu)良的導電性，在納米微電子電路、分子導線、納米線圈等方面顯示出巨大的潛在應用價值，可望應用于微型光電子器件、分子級電路、電磁屏蔽和隱身技術(shù)領域。而傳統(tǒng)導電納米纖維主要是通過本征導電聚合物制備得到，而本征導電聚合物種類少，應用受到很大限制，因此，近年的研究重點主要是將導電納米顆粒分散在聚合物中，通過合適方法制備摻雜型導電納米纖維，而其中導電碳納米管的應用是目前研究最多的體系。雖然已經(jīng)有文獻報道碳

2、納米管/聚合物導電納米纖維的研究，但研究均停留在制備和表征方面，對其應用研究甚少，尤其是導電納米纖維在聚合物及復合材料中的應用研究更少。而靜電紡絲技術(shù)的發(fā)展為碳納米管/聚合物導電納米纖維的制備和應用研究提供了快速而有效的途徑。本文將碳納米管和廣泛應用的高分子聚氨酯通過靜電紡絲技術(shù)制備出了高導電納米纖維，對該復合導電納米纖維的熱物理性能、導電性能、以及對聚合物和纖維增強復合材料的力學性能的影響進行了系統(tǒng)、深入地分析，對導電納米纖維在涂層和

3、層合結(jié)構(gòu)復合材料在電磁屏蔽領域的應用進行了開創(chuàng)性的研究工作，建立了碳納米管含量對納米纖維導電性能影響的定量關系，從實驗測試和理論分析角度研究了導電納米纖維的含量對聚合物和層合結(jié)構(gòu)力學性能影響的方式和影響的機理，并建立了相關的分析模型。本文的具體工作主要表現(xiàn)在：
　　 (1)應用靜電紡絲技術(shù)制備碳納米管/聚氨酯(CNTs/PU)復合微/納米纖維，將該復合纖維收集成無紡布薄膜，采用掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)觀

4、察了纖維的微觀形貌和結(jié)構(gòu)，分別利用X-射線衍射儀(XRD)、熱失重分析儀(TGA)和動態(tài)力學分析儀(DMA)研究了復合纖維的結(jié)晶行為、熱穩(wěn)定性及玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度，并測試了纖維薄膜的拉伸力學性能隨CNTs含量的變化關系。結(jié)果表明，一定含量的CNTs能有效地分散于PU溶液中，并能成功地紡出CNTs/PU復合微/納米纖維，隨CNTs在PU纖維中含量的增加，復合纖維的直徑變細、玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度升高、熱穩(wěn)定性增強。并且，在所研究的含量范圍內(nèi)，無紡布的

5、拉伸強度和斷裂伸長率隨CNTs含量的增加而有所增大。
　　 (2)利用PC68數(shù)字高阻計和Loresta GP電阻計測量纖維薄膜的直流電導率隨CNTs含量變化的關系。為了更好地研究該多孔薄膜的電學性能，同時采用Agilent4294A阻抗分析儀測試了纖維薄膜的電導率在40Hz-110MHz頻率范圍內(nèi)的變化關系，并與澆注試樣的結(jié)果進行比較。結(jié)果表明，在所研究的含量范圍內(nèi)，CNTs的加入使PU的電導率提高約1010倍。根據(jù)復合纖維薄

6、膜的電導率及薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，提出了薄膜的導電模型并分析了澆注膜與電紡纖維膜的導電機理。
　　 (3)將碳管/納米復合纖維膜添加到環(huán)氧樹脂和層合板的層間界面，研究了不同含量的超細纖維對環(huán)氧樹脂、環(huán)氧樹脂/碳纖維復合材料層合板的拉伸性能的影響。結(jié)果表明，復合超細纖維對環(huán)氧樹脂、環(huán)氧樹脂/碳纖維復合材料層合板的拉伸性能均有一定的增強作用，且增強作用與碳管在納米復合纖維中的含量有關。當碳管/納米復合纖維中碳管含量未達到一定值時(本文為(

7、)％)，增強作用隨碳管含量的增加而增大，但是當碳管含量高于這一值后，增強作用反而會隨碳管含量的增加而減弱。通過對斷面進行SEM掃描我們可以發(fā)現(xiàn)，添加碳管含量為5％的碳管/納米復合纖維到環(huán)氧樹脂中時，環(huán)氧樹脂斷面可能出現(xiàn)碳管的聚集，從而產(chǎn)生應力集中，造成材料的破壞。
　　 (4)通過建立細觀力學模型，從細觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，根據(jù)復合材料基本組分材料的性能，對納米纖維膜、納米纖維環(huán)氧澆鑄體的基本力學性能進行了分析，對其力學影響機理進行了討論