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碳納米管范文第1篇

能上《新聞聯(lián)播》的，肯定是國內(nèi)外大事！看來這位李教授的研究很了不起，可到底“了不起”在什么地方呢？碳納米管又是神馬東東？哈哈，兒童相見不相識，千萬別說你不認(rèn)識它，它經(jīng)常會在你的化學(xué)考卷里露一臉。

一個球和一個管的故事

碳納米管，顧名思義，由碳原子組成，它的大小是納米――也就是10-9米數(shù)量級，形狀呈管狀。區(qū)區(qū)四個字的名字，涵蓋了三個性質(zhì)，這的確是一個好名字。不過，你知道嗎？碳納米管還有一個名字叫巴基管，這個名字聽上去可就土多了，它來源于一個人的名字，這個人叫做巴基?富勒。

巴基?富勒是一個建筑師，以設(shè)計未來時代的城市著稱。他的代表作艾波卡特坐落于美國佛羅里達(dá)州的迪斯尼世界度假區(qū)，是這個度假區(qū)內(nèi)除迪斯尼外的第二座主題樂園――未來城市主題樂園。艾波卡特在1982年10月正式開幕，建筑的整體由一個巨大的網(wǎng)格球頂型包裹，周圍也都是同樣未來派風(fēng)格的建筑。

在艾波卡特落成后的第3年，1985年，英國化學(xué)家哈羅德?克羅托和美國化學(xué)家理查德?斯莫利制備出了一種很特別的物質(zhì)。這種物質(zhì)的分子由60個碳原子組成，這60個碳原子組成一個足球的形狀?？瓷先ズ桶ㄌ厝绱酥?，再加上克羅托和斯莫利又是巴基?富勒的超級粉絲，于是這種新的物質(zhì)被命名為富勒烯。在我國，也有人稱這種物質(zhì)為巴基球或足球烯。

我們知道，碳是地球上最重要的元素之一。所有的生物，包括我們?nèi)祟惖纳眢w里，都充滿了碳元素?；瘜W(xué)家們?yōu)榱搜芯刻己吞嫉幕衔?，專門開辟了有機化學(xué)這一重要的化學(xué)領(lǐng)域?；瘜W(xué)家們很早就知道，純凈的碳有兩種不同的形態(tài)――金剛石和石墨，所謂金剛石，就是女士們手上戴著的閃閃發(fā)光的鉆石；而石墨，是一種黑黑的粉末，是鉛筆芯的主要材料。

看上去如此不同的兩樣?xùn)|西，居然都是由碳組成的，可見碳的神奇！然而事情還沒有完，克羅托和斯莫利的工作帶給我們一種全新的認(rèn)知，碳原子居然還能排列成這個樣子！

富勒烯的發(fā)現(xiàn)開闊了人們的視野，科學(xué)家們開始尋找碳的其他組合方式。功夫不負(fù)有心人，1991年，日本物理學(xué)家飯島澄男發(fā)現(xiàn)了管狀的富勒烯。既然球狀的叫巴基球，干脆管狀的就叫巴基管吧。這就是我們前面講到的碳納米管。在碳納米管中，每一個碳原子都和其他碳原子一起組成六邊形，所有的六邊形連接在一起，形成一個管狀結(jié)構(gòu)。

制造碳納米管的最大難題

碳納米管是一種“超級材料”，它的強度是鋼材的300倍，而密度僅僅是鋼材的1/6，而且它還擁有良好的柔韌性，可以隨意拉伸，被譽為“全能纖維”。碳納米管有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，也許在不久的將來，它可以取代硅成為計算機芯片的主要材料。

雖然全能，可目前的碳納米管還只能在實驗室中拳打腳踢施展武藝。之所以會這樣，是因為想要制造一個碳納米管實在太困難了！前面那張圖里的碳納米管是一種完美的形狀，每個碳原子都和其他的碳原子組成六邊形?？墒窃趯嶋H制造碳納米管的過程中，可沒有那么完美了，五邊形、六邊形、七邊形……一個個長得都歪瓜裂棗。這些碳原子會隨機組成各種不同的組合，這些不確定的組合會嚴(yán)重影響碳納米管的性質(zhì)！人們不知道如何來控制碳納米管的結(jié)構(gòu)，從而得到性能穩(wěn)定的成品。這個問題一直困擾了人們20多年。

李彥教授和她的課題組找到了一種很好的方法，可以控制碳納米管的結(jié)構(gòu)，從而生產(chǎn)出完美的全部六邊形的碳納米管。這一發(fā)現(xiàn)，無疑為碳納米管的深度開發(fā)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

“全能纖維”也有不少缺點

作為一種超級材料，碳納米管的應(yīng)用，無疑能給我們的生活帶來很多的便利。不過它也有很多不好的地方。

碳納米管范文第2篇

關(guān)鍵詞：碳納米管；復(fù)合纖維；制備方法；性能

碳納米管（CNTs），是一種具有特殊結(jié)構(gòu)、直徑在10μm～100μm的一維納米材料，有著優(yōu)良的力學(xué)性能和電學(xué)性能。目前，全球?qū)哂刑厥饣蛘吒倪M功能的新型纖維的需求不斷增加，含CNTs的復(fù)合纖維材料已經(jīng)成為復(fù)合材料研究領(lǐng)域的熱點之一。CNTs是長徑比非常大的準(zhǔn)一維納米纖維狀材料，在紡絲過程中聚合物流體會使CNTs沿纖維軸向取向，從而起到微纖增強的作用。研究發(fā)現(xiàn)用CNTs增強聚丙烯（PP）纖維[1]和萊賽爾纖維[2]，使其強度和模量都得到很大的提高。

1 碳納米管復(fù)合纖維的制備方法

如何制備高機械性能和優(yōu)良光電性能的碳納米管復(fù)合纖維引起了材料界的廣泛關(guān)注，越來越多的科研人員開始從事這一方面的研究工作，CNTs復(fù)合纖維有兩種常用的方法：原位聚合和物理共混。根據(jù)紡絲方法的不同分為熔融紡絲法、溶液紡絲法、電紡法等多種方法。下面主要介紹一下CNTs復(fù)合纖維的制備方法。

1.1 原位聚合法制備碳納米管復(fù)合纖維

原位聚合法是利用功能化CNTs表面的官能團參與聚合或利用引發(fā)劑打開CNTs的π鍵，使其參與聚合反應(yīng)而達(dá)到與有機相良好的相容性。經(jīng)過功能化修飾的CNTs或是表面活性劑如阿拉伯膠分散的CNTs，在原液中得到較好的分散，制備的原液具有較高的可紡性。CNTs的加入量和加入時間對聚合物的性能有很大的影響。

目前賈志杰[3-4]等采用改良原位聚合法來制備碳納米管/尼龍6復(fù)合物，即使單體先聚合一段時間后，再將CNTs加入到反應(yīng)體系中，得到了機械性能較好的復(fù)合材料。

腈綸工業(yè)中常用NaSCN溶液作為溶劑，通過原位聚合等方法實現(xiàn)了CNTs在聚丙烯腈（PAN）中的有效分散，制得CNTs/PAN復(fù)合材料纖維。為避免碳納米管在原液中的團聚，采用經(jīng)過酸洗和阿拉伯膠表面處理的CNTs，其在水溶液中具有良好的分散性。通過原位聚合工藝制得的CNTs/PAN復(fù)合材料，碳納米管在聚丙烯腈基體中能有效地分散，制備的原液具有很好的可紡性能[5]。

通過原位聚合法制備強酸處理過的CNTs與聚對苯撐苯并二惡唑纖維（PBO）的復(fù)合材料，由于強酸處理過的CNTs表面具有―COOH和―OH等極性官能團，增強了CNTs與PBO聚合物基體的相容性[6]。試驗發(fā)現(xiàn)，CNTs能均勻地分散在聚合物基體中，加入5%的CNTs，PBO/CNTs復(fù)合纖維的拉伸強度提高了50%，這可能是CNTs表面的官能團和聚合物的官能團發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)所致，熱重分析表明當(dāng)CNTs含量為5% PBO/CNTs復(fù)合纖維比PBO纖維有更好的耐高溫性能[7]。

1.2 熔融紡絲制備CNTs復(fù)合材料

熔融紡絲法是常用的聚合物成纖加工方法，聚合物和CNTs采用各種方法首先制備成聚合物/CNTs復(fù)合材料，再經(jīng)熔融紡絲制備復(fù)合纖維。

熔融紡絲混合CNTs方法源于現(xiàn)有技術(shù)，工藝比較簡單，且成熟，紡絲可靠。但紡得的纖維含碳率很低，難以大幅提高纖維的機械性能，不過利用低百分含量CNTs，可改善纖維電導(dǎo)率，制備抗靜電紡織品。

早在1999年碳納米管復(fù)合纖維被成功研制[8]。將單壁碳納米管分散到各向同性瀝青的喹啉溶液中，除溶劑后，紡絲制成直徑18μm 的瀝青原纖維，碳化后制備含CNTs的復(fù)合碳纖維。CNTs質(zhì)量百分含量不同時，其拉伸強度、模量、電導(dǎo)率均有不同程度的增加。

Haggen- Mueller[9] 通過熔融紡絲法制得的聚甲基丙烯酸酯/單壁碳納米管復(fù)合纖維，其模量和強度也均有不同程度的增加。

1.3 溶液紡絲制備CNTs復(fù)合材料

溶液紡絲法用于不能采用熔融紡絲法成形的成纖聚合物，如PAN、PVA等。成纖聚合物/CNT復(fù)合材料溶液可直接紡絲制備纖維。

潘瑋[10]等人使用濃硫酸和濃硝酸的混合溶液將多壁CNTs進行羧基化處理后與聚丙烯腈（PAN）進行共混，采用濕法成形技術(shù)制備出了多壁CNTs/PAN導(dǎo)電纖維。結(jié)果表明：添加CNTs的含量為5%時PAN纖維的強度、儲存模量及玻璃化轉(zhuǎn)變溫度提高，斷裂伸長率下降；添加經(jīng)過功能化處理的CNTs可以有效地提高纖維的導(dǎo)電性能，當(dāng)含量為5%時，電導(dǎo)率可達(dá)10-3S/cm。

中科院化學(xué)所研究人員[11-12]以離子液體為介質(zhì)，首先制備纖維素/CNTs的離子液體溶液，再通過干噴濕紡技術(shù)，以水為凝固浴，制備出再生纖維素/CNTs復(fù)合纖維。據(jù)介紹，這種復(fù)合方法無需對CNTs進行先期表面改性，其中，離子液體既是纖維素的溶劑又是CNTs的分散劑。干噴濕紡過程有效地提高了CNTs在纖維素基體中的取向。和再生纖維相比，復(fù)合纖維的力學(xué)性能得到顯著提高，同時又具有良好的高溫模量保持率和較高的熱燒蝕殘?zhí)柯?。該技術(shù)對于制備纖維素基碳纖維與功能性纖維素纖維，具有潛在的應(yīng)用前景。

1.4 電紡絲制備CNTs復(fù)合材料

靜電紡絲是制備CNTs/聚合物復(fù)合材料的一種簡單易行的方法，是一種利用聚合物溶液或熔體在強電場中進行噴射紡絲的加工技術(shù)，所得的纖維直徑一般在數(shù)十納米至幾微米之間，比傳統(tǒng)方法制得的纖維直徑小幾個數(shù)量級，是獲得納米尺寸長纖維的有效方法之一。在電紡中，由于CNTs與聚合物溶液的導(dǎo)電性能不同，以及噴絲口處的高剪切作用，使CNTs沿纖維方向規(guī)則排列，因此被用于CNTs/聚合物復(fù)合纖維的制備。靜電紡絲裝置主要包括帶有正負(fù)電極的高壓電源、連有針頭的注射器（高聚物溶液從注射器流向噴絲頭）以及導(dǎo)電性的收集裝置（收集任意取向或規(guī)整排列的納米纖維）三個部分。在靜電紡絲過程中，由于高聚物的類型不同，因而具有不同的表面剪切性能，從而可以獲得具有高強、輕質(zhì)、低孔隙率等特性的纖維氈，同時高聚物納米纖維也能具有諸如導(dǎo)電性等各方面的特性。CNTs在復(fù)合材料中的分散程度是研究的關(guān)鍵。

通常情況下，可以通過加入表面活性劑，如：十二烷基硫酸鈉和triton-X，使CNTs均勻分散于高聚物溶液中，以得到穩(wěn)定均衡的納米管懸浮液，但是，這種方法存在的問題是必須將表面活性劑從混合液中分離出來，否則會對溶液產(chǎn)生一些不良的影響。Ye[13]等則分別研究了單壁CNTs和多壁CNTs（MWNTs） 對 PAN電紡纖維的增強作用。在電紡聚合物/CNTs的過程中，由于范德華力的存在SWNTs極易團聚，CNTs的分散程度及其沿纖維的取向程度將嚴(yán)重影響復(fù)合納米纖維的導(dǎo)電性能和力學(xué)性能。為了解決CNTs在溶液中的分散問題， 人們進行了諸多嘗試，如將表面活性劑十二烷基磺酸鈉（SDS） 或聚乙烯吡咯烷酮等吸附于CNTs的表面來實現(xiàn)其在水相中的均勻分散。

1.5 凝聚紡絲法制備CNTs/聚合物復(fù)合纖維

所謂凝聚紡絲，是指聚合物分子鏈吸附于納米管上，這可稱為橋接凝聚作用。凝聚紡絲法需要CNTs高度分散，制備過程一般在以聚乙烯醇做凝聚劑的體系中，由于縱向剪切作用有拉伸性，這種典型的紡絲，不是在靜止的浴中，而是在流動浴中進行。這種制備方法可以提高CNTs的質(zhì)量百分含量，其含量可達(dá)到l5%～70%。這種紡絲的優(yōu)點是加工完全以水為基礎(chǔ)，SWNTs或MWNTs都適用；缺點是必須有高品質(zhì)的分散，CNTs等需要用超聲波處理，均勻分散，如CNTs變短，會影響機械性能。CNTs/PVA纖維的韌性要優(yōu)于蜘蛛絲，斷裂前伸長比較大。

Vigolo[14]等通過加入表面活性劑來提高CNTs的分散性能。他們將SWNTs分散在SDS的水溶液中，再注射到旋轉(zhuǎn)的PVA水溶液中，形成直徑為幾微米到100 微米的PVA/SWNTs纖維，纖維的直徑可通過毛細(xì)管的內(nèi)徑、注射速率、PVA溶液的旋轉(zhuǎn)速率來進行控制。纖維的密度在（1.3±0.2）g/cm3～（1.5±0.2） g/cm3之間。這種纖維可以打結(jié)，柔韌性好于碳纖維，呈現(xiàn)典型的彈性。楊氏模量在9GPa～15GPa之間。室溫下電阻率為0.1 Ω。

2 CNTs復(fù)合纖維的性能

2.1 CNTs復(fù)合纖維的抗靜電性能

眾所周知，滌綸、丙綸等合成纖維雖有許多優(yōu)良性能，但它們具有共同缺點：有較強的靜電性能，這使其在使用過程中易吸塵、纏繞、電擊，甚至?xí)o精密電子儀器、計算機帶來故障，也給紡織加工帶來困難。使用具有優(yōu)良導(dǎo)電性能的CNTs來改性聚酯纖維等合成纖維，使合成纖維導(dǎo)電性能得到改善。

采用聚酯型抗靜電劑與CNTs相結(jié)合制備出新型抗靜電母粒，將其與聚酯切片共混紡絲，即可獲得抗靜電效果優(yōu)良且穩(wěn)定的纖維。根據(jù)高緒珊等人[15]提出的纖維內(nèi)部極化放電的抗靜電機理，以及CNTs本身的導(dǎo)電性能，使新型纖維在低濕度條件下仍具有很好的抗靜電性。通過試驗，高緒珊等人發(fā)現(xiàn)，采用含有CNTs的新型抗靜電母粒制備的新型抗靜電纖維與普通抗靜電纖維相比抗靜電性能更持久，表面抗靜電劑洗去后，仍具有抗靜電性能，并且其抗靜電劑不受環(huán)境濕度的影響，在低濕度條件下仍具有很好的抗靜電性能。

2.2 CNTs復(fù)合材料的強力

在適量?；疌NTs均勻分布的聚合纖維中，CNTs通過化學(xué)鍵作用與基體高聚物相互作用，提高了CNTs與高聚物間的界面作用，有較好的增強效果。研究表明，在CNTs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%時纖維的斷裂強度和初始模量較純 PA6分別增加了60%和86%。該增強是一種微纖增強，CNTs沿纖維軸向取向，并且CNTs與PA6基體間形成了有效的相互作用力，這種相互作用力能有效地把載荷轉(zhuǎn)移到CNTs上，達(dá)到增強的作用[16]。

眾所周知，再生纖維素纖維的強力比較低，CNTs/再生纖維素纖維的強力得到明顯改善。當(dāng)CNTs/Lyocell復(fù)合纖維中所添加的CNTs百分量較少（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤1 ）時，CNTs在Lyocell基體中分散較為均勻，因此CNTs的添加起到了較好的增強作用，使得纖維的力學(xué)性能提高，添加適量的CNTs的Lyocell纖維的初始模量和強度分別比未添加CNTs的Lyocell增加32.9%和18.8%[17]。

2.3 CNTs復(fù)合材料的吸波性能

由于CNTs獨特的一維管狀納米結(jié)構(gòu)，使CNTs既可以是金屬性的也可以是非金屬性的，甚至是同一根CNTs的不同部位，由于結(jié)構(gòu)的變化，呈現(xiàn)出不同的導(dǎo)電性。此外，電子在CNTs的徑向運動受到限制，表現(xiàn)出典型的量子限域效應(yīng)；而電子在軸向的運動不受任何限制。因此，可以認(rèn)為CNTs是一維量子導(dǎo)線。至目前為止，CNTs的吸波機理還不清楚，一種觀點認(rèn)為它作為偶極子在電磁場中產(chǎn)生耗散電流即屬于電損耗型吸波材料；還有一種觀點認(rèn)為CNTs具有的手征性使其成為一種旋波介質(zhì)，從而增強了材料的吸波性能。無論其吸波機理如何，CNTs作為單一吸收劑的吸波值不是很強，尚不能達(dá)到實際應(yīng)用。

研究表明[18]，層數(shù)較少但直徑較大的多壁CNTs的電子性質(zhì)基本保持相應(yīng)單壁CNTs的性質(zhì)；直徑較小的多壁CNTs由于曲率較大使其層間相互作用較大，可能會改變其電子結(jié)構(gòu)。然而對更復(fù)雜多壁納米碳管的電子狀態(tài)研究比較少，其性能很可能更接近于石墨的電性質(zhì)。由于特殊的結(jié)構(gòu)和介電性，CNTs表現(xiàn)出較強的寬帶微波吸收性能，它同時還具有質(zhì)量輕、導(dǎo)電性可調(diào)、高溫抗氧化性能強和穩(wěn)定性好等特點，是一種有前途的微波吸收劑，有可能用于雷達(dá)吸波材料；電磁屏蔽材料或暗室吸波材料。

3 展望

綜上所述可以看出，傳統(tǒng)的成纖方法制備的復(fù)合材料纖維，少量CNTs的加入就可以達(dá)到增強的效果，使復(fù)合纖維具備了新的性能。CNTs復(fù)合材料纖維是CNTs產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的一個重要途徑，具有重大的理論意義和實際意義。

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碳納米管范文第3篇

關(guān)鍵詞：碳納米管；蠟基復(fù)合粘結(jié)劑；金屬粉末注射成形

中圖分類號：TB321；TB324 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

在眾多金屬基復(fù)合材料增強相中，碳納米管（CNTs）以其獨特的結(jié)構(gòu)和性能為人們所青睞.選擇碳納米管作為增強相，金屬基復(fù)合材料有望獲得高強度、高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱、低膨脹、輕質(zhì)等優(yōu)異的綜合性能，更難能可貴的是由于碳納米管良好的柔韌性，復(fù)合材料將易于加工和處理.因此這一誘人的應(yīng)用前景已經(jīng)吸引人們?yōu)橹?J.Yang等[1]用酒精和酸將碳納米管與鎂粉分散混合，干燥后在25 MPa的壓力下進行熱壓燒結(jié).結(jié)果表明：碳納米管在基體中呈束狀分布，增強相與基體相之間沒有發(fā)生界面反應(yīng)，強度最高僅為200 MPa.孟飛等[2]采用粉末冶金工藝結(jié)合軋制退火制備了碳納米管彌散強化銅基復(fù)合材料，研究表明，碳納米管彌散強化使材料的硬度得到了提高，但分布的均勻性及兩相的結(jié)合仍不夠理想.韓國Walid等[3]首先采用化學(xué)鍍方法在碳納米管表面沉積銅，冷壓后利用等離子體火焰燒結(jié)成型.結(jié)果表明其硬度可為原來的兩倍，楊氏模量提高近一倍.但是熱膨脹系數(shù)仍然很高，界面結(jié)合程度不好、碳納米管分布不均以及空隙的產(chǎn)生影響了復(fù)合材料綜合性能的發(fā)揮.Kim等 [4]采用分子水平混合法制備碳納米管增強銅基復(fù)合粉末，然后通過等離子體火焰燒結(jié)成功地制備了碳納米管分散均勻的復(fù)合材料.我們課題組[5]也取得了一些研究成果，采用靜電組裝方法通過液相預(yù)先合成微米級的碳納米管-銅復(fù)合顆粒.碳納米管被“鎖”在復(fù)合顆粒中，可極大地減少燒結(jié)過程中的偏聚，燒結(jié)成形后的復(fù)合塊材熱導(dǎo)率為240 W/（m·K）以上，熱膨脹系數(shù)小于8×10-6 /K，但這些方法既耗時又昂貴，難以實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn).

由此可見，為了適應(yīng)規(guī)模化生產(chǎn)，通過機械或借助溶劑等簡單的方法作為混合手段難以使碳納米管在足夠含量下實現(xiàn)單分散和在整個金屬基體內(nèi)的均勻分布.相對于金屬基體，具有一定粘度的聚合物，不論是在溶液混合或熔融混合中都能較容易地實現(xiàn)碳納米管的錨固和分散，有關(guān)碳納米管增強聚合物基復(fù)合材料的研究也已取得了很大進展.基于這一特點，我們考慮將分散了碳納米管的聚合物為主要組分的有機物作為粘結(jié)劑與金屬粉末混煉形成喂料，再采用注射成形，通過有效的脫脂和燒結(jié)等工藝，就可獲得復(fù)合材料塊體，這就是已發(fā)展了數(shù)十年的粉末注射成形技術(shù)（PIM）[6-8].脫脂是PIM技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，既要使粘結(jié)劑脫除干凈，又要保留碳納米管與金屬粉末顆粒，這就要求碳納米管與粘結(jié)劑體系以非共價鍵方式連接.此外，研究還表明，在粘結(jié)劑中添加碳納米管不但能改善力學(xué)性能，而且還能提高導(dǎo)熱性能，這對在脫脂過程中減少熱應(yīng)力、防止裂紋非常有利.目前，粉末成形技術(shù)對單一的金屬制品的制備已比較成熟，對二元金屬體系如鎢銅、鉬銅等也已有商業(yè)化產(chǎn)品[6，9-10]，但應(yīng)用于復(fù)合材料領(lǐng)域則是新的方向，特別是應(yīng)用于納米增強相的復(fù)合體系更是一個全新的探索.

PIM主要包括混料、制粒、成形、脫脂及燒結(jié)5個步驟，而混料中的粘結(jié)劑是PIM技術(shù)的核心.它既是注射時提供流動性的載體，又在成形坯脫脂階段起著維持坯塊形狀的作用，進而對注射成形坯的質(zhì)量、脫脂、尺寸精度及合金成分等有很大的影響.因此，對粘結(jié)劑的流變學(xué)性能、熱性能等進行研究顯得尤為重要.本文將功能化的碳納米管引入PIM常用的蠟基粘結(jié)劑中，獲得碳納米管分散均勻的新型復(fù)合粘結(jié)劑.碳納米管的加入提高了粘結(jié)劑的結(jié)晶度，改善了它的熱穩(wěn)定性，但對其流變學(xué)性能影響不大.

1實驗材料及方法

本實驗采用的碳納米管為北京天奈科技有限公司生產(chǎn)，直徑為20～50 nm，純度為95%.將其混合于添加了一定量乙二胺四乙酸（EDTA）的H2SO4/HNO3混合溶液中，微波加熱30 min得到有效的純化.

稱取一定量的石蠟和碳納米管加入燒杯中， 80 ℃水浴并機械攪拌30 min，形成碳納米管石蠟混合物.將此混合物加入已升溫至80 ℃，攪拌速度為30 r/min的密閉混煉機中，將混煉機調(diào)溫至135 ℃、轉(zhuǎn)速調(diào)為45 r/min，待溫度穩(wěn)定后加入低密度聚乙烯（LDPE），15 min后加入硬脂酸.待LDPE基本熔融后將混煉機調(diào)溫至150 ℃，溫度穩(wěn)定后加入高密度聚乙烯（HDPE），混煉1 h后得到碳納米管改性的粘結(jié)劑.

紅外光譜分析是在WQF410型傅里葉變換紅外光譜儀上進行的，吸收光譜掃描的波數(shù)范圍為400～4 000 cm-1.將樣品的觀察面（液氮脆斷面）噴金后用日立Hitachi S4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察形貌.使用OLYMPUS BX51型偏光顯微鏡（PLM）對復(fù)合粘結(jié)劑進行晶體形態(tài)表征.用Philips PW 1710型X射線衍射儀對樣品進行物像分析.粘結(jié)劑的粘度是用上海精密儀器有限公司的NDJ8S型數(shù)字顯示旋轉(zhuǎn)粘度計測量的.DSC和TGA在德國耐馳NETZACH STA 449C型差熱分析儀上測試，氮氣氣氛，升溫速率5 ℃/min，掃描范圍30 ～ 800 ℃.

2結(jié)果與討論

2.1紅外分析

2.2復(fù)合粘結(jié)劑的形貌

圖2給出了添加含量都為4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的功能化前后碳納米管的復(fù)合粘結(jié)劑斷面SEM圖.為了避免聚乙烯（PE）纖維對碳納米管分布的干擾，樣品截面是在液氮中脆性斷裂后獲得的.如圖2（a）所示，在較低放大倍率下未經(jīng)處理的碳納米管在復(fù)合粘結(jié)劑中分布不均勻，有團聚（如圖中圈出區(qū)域）.而經(jīng)功能化處理后的碳納米管分布則比較均勻（如圖2（c））.這種截然不同的現(xiàn)象緣于功能化處理后的碳納米管表面接枝有許多官能團，這些官能團的存在使得碳納米管與PE鏈之間的范德華作用力增強[11]，從而顯著改善了碳納米管與PE的潤濕性.圖2（d）還顯示碳納米管外壁有一層厚厚的包覆層，其總直徑為150～200 nm，圖2（d）右上角的透射電鏡照片進一步表明碳納米管與包覆層結(jié)合緊密.與此形成鮮明對照的是，使用未處理的碳納米管的粘結(jié)劑，碳納米管加包裹層僅100 nm，且結(jié)合疏松，這進一步說明原始碳納米管與基體的潤濕性不好.這一現(xiàn)象與碳納米管的表面結(jié)構(gòu)及聚合物的結(jié)構(gòu)特點緊密相關(guān).已有研究表明，碳納米管可誘發(fā)PE在其表面上形成納米晶[12-13].這是由于在熔融狀態(tài)的PE鏈能量較高傾向于附聚在功能化的碳納米管表面以降低其表面能[14].此外，功能化的碳納米管表面存在很多缺陷，使得其直徑與聚合物鏈的回轉(zhuǎn)半徑（PE100 kg/mol，Rg13.8 nm）更相近，其高度彎曲的表面導(dǎo)致強烈的幾何限制作用，從而迫使聚合物鏈以碳納米管為軸結(jié)晶，這與文獻(xiàn)[12]報道的一致.PE包覆層可以將碳納米管彼此隔開，同時可以克服納米碳管之間存在的較大范德華力，防止碳納米管團聚，極大地提高了碳納米管在PW中的分散能力.

2.3復(fù)合粘結(jié)劑的結(jié)晶性能

圖3（a），（b），（c）和（d）分別為碳納米管含量0， 2%， 4%和6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的復(fù)合粘結(jié)劑的偏光顯微照片（暗色區(qū)域為非晶區(qū)，亮色區(qū)域為結(jié)晶區(qū)）.可看出，隨著碳納米管含量的增加，圖中片狀物尺寸變小，白點的數(shù)量增加，說明碳納米管的加入起到促進形核的作用，并使晶粒細(xì)化.為了證實偏光圖片的分析結(jié)果，我們采用XRD對不同碳納米管含量的粘結(jié)劑進行表征，結(jié)果（圖4）顯示，4種粘結(jié)劑的主要吸收峰均出現(xiàn)在2θ為21.3°和23.6°，分別對應(yīng)于PE的 （110） 和 （200） 晶面.與不含碳納米管的粘結(jié)劑相比，碳納米管改性的粘結(jié)劑在21.3°處的吸收峰明顯增強，這進一步說明碳納米管作為一種增強相能促使基體形核結(jié)晶.眾所周知，聚合物材料的物理性能很大程度上取決于它們的顯微結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度，且彈性模量和柔韌性等機械性能也受結(jié)晶性的影響.添加碳納米管后粘結(jié)劑結(jié)晶度的提高和晶粒的細(xì)化將導(dǎo)致生坯強度的提高，十分有利于從成型、脫脂到燒結(jié)過程中保形性的需求.

2.4復(fù)合粘結(jié)劑的流變學(xué)性能

在注射成形溫度下，粉末注射成形喂料的流動性是由粘結(jié)劑提供的.為了有效調(diào)節(jié)注射成形參數(shù)以實現(xiàn)良好的充型，需要對粘結(jié)劑的粘度進行測定.由于PIM喂料的粘度與工業(yè)上使用的熱塑性塑料的粘度處于同一范圍，測定粘結(jié)劑粘度，一般采用塑料行業(yè)中所使用的毛細(xì)管粘度計.但由于實驗條件有限，本實驗將常用于測量液體表觀粘度的旋轉(zhuǎn)粘度計用來測量熔融狀態(tài)下復(fù)合粘結(jié)劑的粘度，也能在一定程度上反應(yīng)在注射成形溫度下粘結(jié)劑的流動性.在已知轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的條件下，試樣對轉(zhuǎn)子的粘滯阻力由測力傳感器測得后，即可獲得該溫度下剪切應(yīng)力與剪切速率的比值，也就得到了粘度值.原始碳納米管和功能化碳納米管的含量與粘度的關(guān)系如圖5所示.我們可以發(fā)現(xiàn)，碳納米管的加入使得粘結(jié)劑的粘度增加.這是因為碳納米管和粘結(jié)劑分子鏈之間的作用力阻礙了它們的相對運動.因此，我們可以選擇較低分子量的聚合物作為粘結(jié)劑的組份，這樣既能滿足流動性和保形性的需求，又有利于后續(xù)的脫脂和燒結(jié).進一步增加碳納米管的含量，粘結(jié)劑的粘度沒有明顯增加，且原始碳納米管和功能化碳納米管對粘度的影響趨于一致，說明阻礙作用到達(dá)極限值時，粘度也將不再升高.上述結(jié)果證明，添加碳納米管對粘結(jié)劑的流動性影響不大，此粘結(jié)劑仍能滿足金屬粉末注射成形對流動性的要求.

2.5復(fù)合粘結(jié)劑的熱性能

圖6顯示的是添加了6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）功能化碳納米管的改性粘結(jié)劑與不含碳納米管的粘結(jié)劑的DSC和TGA性能對比.在DSC曲線圖（圖6（a））中對應(yīng)的第一個吸熱峰61 ℃對應(yīng)石蠟的玻璃化溫度，第二個吸熱峰121 ℃對應(yīng)PE的玻璃化溫度.從方框內(nèi)曲線可看出，碳納米管改性粘結(jié)劑中PE的玻璃化溫度（Tg為121.818 ℃，比普通蠟基粘結(jié)劑中PE的結(jié)晶溫度高1.379 ℃）.此外，如圖6（b）所示，作為添加劑的功能化碳納米管使聚合物基體的熱分解溫度也提高了.從以上結(jié)果看來，由于功能化碳納米管在復(fù)合粘結(jié)劑中均勻分布，即使在大量石蠟存在的情況下也能誘導(dǎo)PE形成大量的微晶區(qū)，提高材料整體的結(jié)晶度.同時由于碳納米管表面有大量的羥基和羧基，能夠和PE分子鏈形成較強的作用力，限制PE鏈的自由運動，這樣就使復(fù)合粘結(jié)劑中PE的Tg較純粘結(jié)劑中PE有所提高.

更重要的是，熱重曲線可用于確定注射成形過程中熔體的上限溫度和分解溫度，從而制定出合適的成形和脫脂工藝.為了避免粘結(jié)劑在混煉和注射等成形過程中降解，應(yīng)使溫度低于170 ℃.當(dāng)溫度達(dá)到500 ℃時兩種粘結(jié)劑的降解趨于穩(wěn)定.純粘結(jié)劑幾乎完全分解，殘留量僅為0.15%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）.碳納米管改性粘結(jié)劑的殘留量是10.39%.這是由于在氬氣氣氛保護下碳納米管并沒有降解，且粘結(jié)劑分解后有少量的殘余碳.這一結(jié)果說明，碳納米管的加入沒有對粘結(jié)劑的脫除產(chǎn)生很大影響，熱脫脂后能夠得到較純凈的樣品.

3結(jié)論

通過熔融混煉成功制備了碳納米管改性的復(fù)合粘結(jié)劑.掃描電鏡顯微照片顯示，功能化的碳納米管在粘結(jié)劑基體中能均勻分散，而未經(jīng)處理的碳納米管則有較嚴(yán)重的團聚.實驗結(jié)果表明，功能化碳納米管的加入能有效提高粘結(jié)劑的結(jié)晶度，從而將提高生坯的強度和保形性.此外，碳納米管的加入對復(fù)合粘結(jié)劑的粘度影響不大，這樣就可以既滿足保形性要求的同時又不影響喂料的流動性.碳納米管與粘結(jié)劑之間以非共價鍵連接，這樣就可以既使粘結(jié)劑脫除干凈又保留碳納米管和金屬粉末.綜上所述，這種新型碳納米管改性復(fù)合粘結(jié)劑適用于金屬粉末的注射成形.

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碳納米管范文第4篇

關(guān)鍵詞：碳納米管；增韌；氮化硅陶瓷；復(fù)合材料

碳納米管主要是由單層或者是多層圓柱石墨片而組成的，所以碳納米管分為單壁和多壁之分[1]。當(dāng)前，碳納米管增韌氮化硅陶瓷作為復(fù)合材料，需要人們加大對其的研究力度，進而提升材料的抗熱震性能，并加強其材料的應(yīng)用，使得碳納米管氮化硅陶瓷復(fù)合材料的增韌性有明顯提升。

1實驗

1.1原料

本次對碳納米管增韌氮化硅陶瓷復(fù)合材料進行研究過程中，試驗原料包含氮化硅（Si3N4）、氧化釔（Y2O3）、氧化鋁（Al2O3）、乙醇（C2H2）、石墨紙（C）、氮氣（N2）。SiN4是上海硅酸鹽研究所生產(chǎn)的，的含量超過85%，而且費氏粒度達(dá)到1.2μm，在實驗過程中，在碳納米管內(nèi)加入濃硝酸和濃硫酸混合液，配比為3：1。在碳納米管中加入添加劑MgO和CeO2，試樣原料的配比具體如表1所示。

1.2工藝流程

實驗人員預(yù)先對碳納米管進行處理，按照一定比例予以分配，在塑料筒內(nèi)將酒精和硬質(zhì)的合金球加以濕磨處理，磨好后的混合料在干燥的環(huán)境下過篩[2]。此外，稱取少量的粉末，將其放入石墨模具中，按照設(shè)定的燒結(jié)工藝其進行燒結(jié)，最后，對燒結(jié)試樣的硬度、密度和韌性等指標(biāo)予以測量，并利用顯微鏡對試樣斷面的顯微結(jié)構(gòu)和晶相結(jié)構(gòu)予以分析[3]。在燒結(jié)過程中，利用熱壓燒結(jié)方式，以15℃/min的速度將溫度分別升至1600℃、1650℃、1700℃、1750℃，保溫1h，在氮氣保護下，保證壓力為30Mpa，然后爐內(nèi)的溫度在自然狀態(tài)下與室內(nèi)溫度一致。

1.3測試

對試樣的測試方法具體如下：密度根據(jù)國標(biāo)GB2413-18，并結(jié)合阿基米德定律，測量干燥試樣的質(zhì)量m1，試樣吸水飽和質(zhì)量為m2，在水中的質(zhì)量為m3，然后代入公式求得試樣體積密度ρ0=m1ρ0/（m2-m3），其中，ρ0為室溫下液體水的密度，根據(jù)室溫查有關(guān)表查得ρ0值[4]。燒結(jié)試樣的理論密度計算公式為：1/d=n1/d1+n2/d2+n3/d3......+nm/dm），然后利用排水法測量密度，除以理論密度就能夠求得試樣的相對密度[5]。測量材料的斷裂韌性和硬度需要采用壓痕法，本次加載壓力為1kg，加載時間為40s，斷裂韌性的計算公式為KIC=0.016（E/HV）1/2P/b3/2。式中的Hv是硬度，GPa；E為彈性模量，MPa，P為載荷，N；B為裂紋半長，單位是mm。通過用掃描電鏡對斷口形貌，在測試時，加速電壓為25kV，粉分辨率為6nm。

2結(jié)果與討論

2.1氮化硅陶瓷復(fù)合材料的力學(xué)性能

通過對碳納米管進行試驗研究表明，當(dāng)燒結(jié)溫度為1600℃、1650℃、1700℃時，試樣的硬度和密度隨著碳納米管的的加入而減少，碳納米管的加入不利于改善氮化硅陶瓷復(fù)合材料性能。燒結(jié)溫度為1750℃，在碳納米管中加入0.99%試樣，其斷裂韌性和硬度最佳，分別為7.47MPa°m1/2和16GPa，與未加入相比，提升了6%。如果碳納米管的加入量增加時，試樣的力學(xué)性能下降，氮化硅陶瓷的燒結(jié)溫度提升[6]。

2.2氮化硅陶瓷復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)

通過對氮化硅陶瓷復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進行顯微觀察，晶粒發(fā)育比較良好，致密度也很高，而且有細(xì)長柱狀的β-SiN3和等軸狀的α-SiN。

2.3實驗結(jié)果分析

通過實驗結(jié)果表明，碳納米管的作用主要為如下幾個方面，第一，能夠進行氮化硅陶瓷材料的孔隙，復(fù)合材料的致密度低。第二，在燒結(jié)過程中，碳納米管能夠阻礙復(fù)合材料的融合，降低致密度。如果碳納米管的含量低，可以被氮化硅粉末分散，達(dá)到填充的效果，避免結(jié)團；當(dāng)其含量增加時，致密度下降。如果碳納米管的加入量少于1%，氮化硅材料的纖維和致密度、硬度都增加；若加入量少于2%，致密度下降，并出現(xiàn)碳納米管粘連的現(xiàn)象，纖維長徑比減小，隔斷了氮化硅的連續(xù)性。在本次實驗中，碳納米管的最佳加入量為1%。試驗的斷裂為沿晶斷裂，而且碳納米管分布不均勻，粘結(jié)較少，在斷口處能將碳納米管拔出。此外，碳納米管和氮化硅的熱膨脹匹配性較好[7]。

3結(jié)束語

在1700℃熱壓下進行燒結(jié)，并配合MgO和CeO2復(fù)合燒助劑的使用，能夠降低燒結(jié)溫度，獲取高致密度的SiN4制品。燒結(jié)溫度為1600℃、1650℃、1700℃時，碳納米管增加，但氮化硅陶瓷的相對硬度和密度減少，如果碳納米管含量為0.99%，則氮化硅陶瓷復(fù)合材料的韌性提升6%，如果過度的增加，將起到相反效果。碳納米管增韌氮化硅復(fù)合材料主要靠纖維拔出機制，從而提升氮化硅陶瓷的韌性[8]。

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碳納米管范文第5篇

碳納米管具有良好的微波吸收能力，通過改變它的結(jié)構(gòu)和濃度，可以調(diào)節(jié)其吸波功能，溫度也能影響其吸波能力，經(jīng)過高溫處理的碳管，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)經(jīng)過重整，晶粒尺寸減小，有序化程度大大增加，介電常數(shù)的實部和虛部都減小，吸波峰點向高頻方向移動，使得它對微波的低頻部分吸收能力下降，高頻區(qū)域吸波能力增強。

2碳納米管在機械電子元件中的應(yīng)用

2.1碳管在機械設(shè)備中的應(yīng)用

碳納米管具有很高的強度，將其作為復(fù)合材料或涂層的增強體，可以提高材料的減摩抗磨性能，降低汽車動力因摩擦而產(chǎn)生的消耗，降低傳動系統(tǒng)的摩擦與磨損。碳管與塑料相聚合，可以制得高比強度和高彈性模量的功能塑料，碳管的密度極小，可在汽車的輕量化生產(chǎn)中發(fā)揮重大作用，還可以應(yīng)用于汽車車身和輪船上，減輕介質(zhì)對車身和船壁的腐蝕。

2.2傳感器

2.2.1壓力傳感器。由碳納米管構(gòu)建的納米壓力傳感器，不僅具有體積小、重量輕的特點，還能夠降低功耗，擴大測量范圍和提高靈敏度。碳納米管具有很好的形變，誘惑電阻發(fā)生變化，可以作為壓阻敏感元件，從而提高靈敏度。基于碳納米管的電阻溫敏特性，當(dāng)溫度變化時，碳管的電阻也隨之變化，由于其具有非常高的電阻溫度系數(shù)，因而可進一步提高靈敏度。

2.2.2氣體傳感器。將碳納米管置于材料基底上，可制得靈敏度高、響應(yīng)迅速、尺寸小、能耗低的氣體傳感器，能夠檢測環(huán)境中的NH3、NO、H2、CO、O2、SO2和H2S。通過金屬或半導(dǎo)體修飾以及金屬氧化物修飾，都能夠提高傳感器的靈敏度，根據(jù)氣體擊穿時的電流，還可以測定氣體的濃度，此種傳感器還具有良好的選擇性和防干擾性能。碳管氣體傳感器在生產(chǎn)、檢測和測試領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用。

2.3超級電容器

碳納米管具有良好的導(dǎo)電性能和較強的機械性能，通過對其進行改性處理或與其他材料復(fù)合，可以制得提高電容器的電容特性。將其作為電極，還可以顯著增強超級電容器的功率密度和能量密度。將碳納米管進行活化處理，可以提高其比表面積，不僅可以增大超級電容器的電容特性，還可以改善其循環(huán)壽命。

2.4投影顯示儀

碳納米管是一種優(yōu)良的場發(fā)射冷陰極材料，由于其顆粒直徑小、比表面積大，不僅可以增加顯示屏的散射中心，增強散射效應(yīng)，改善了顯示屏的亮度均勻性，提高顯示性能，還可以作為黑色組元增強顯示屏的對比度，提高其對環(huán)境光的抗干擾性能。

3碳納米管衍生物

隨著碳納米管的不斷發(fā)展，單一的碳管已經(jīng)不足以滿足其在多功能材料方面的應(yīng)用，將碳管進行摻雜、填充、修飾、包覆、共混、接枝和超聲波處理，可以得到復(fù)合碳納米管，兩種材料協(xié)同增效，不僅能夠增強原有材料的力學(xué)性能，還能改善其電學(xué)性能。經(jīng)超聲波處理的碳納米管具有復(fù)合電磁功能，可以作為雷達(dá)吸波材料和隱身材料。乙烯合成薄膜的碳納米管密度高、吸附能力大，對揮發(fā)性的有機小分子具有很強的吸附能力。在碳納米管中引入某些基團，可以提高催化劑的活性，增強催化性能。

4碳納米管的應(yīng)用前景

碳納米管擁有潛在的優(yōu)越性能，利用碳納米管可以制成像紙一樣薄的揚聲器，還可以充分發(fā)揮其強度和硬度上的優(yōu)勢，做成網(wǎng)球球拍，微型納米收音機、納米齒輪、納米馬達(dá)在不久的將來也有望走進人們的生活。此外，碳納米管還可以應(yīng)用于微型芯片、超聲波粉碎機等。目前，碳納米管的研究目標(biāo)就是實現(xiàn)碳管的高度集成化、小型化，提高其與復(fù)合材料的相容性，這必將引起一場科技革命的新突破。

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