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碳納米管復合材料性能及應用

  碳納米管(CNTs)是在一定條件下由大量碳原子聚集在一起形成的同軸空心管狀的納米級材料,它的徑向尺寸為納米數量級,軸向尺寸為微米數量級,屬于碳同位素異構體家族中的一個新成員,是理想的一維量子材料。自從1991年Iijiman發現CNTs以來,它的優良性能引起了人們廣泛深入的研究。然而CNTs不溶于一般的有機溶劑,并且其表面特性接近于石墨,使其表面呈化學惰性,從而限制了其應用范圍。從目前文獻報道的情況看,解決這些問題的最有效的方法是對CNTs表面進行改性,增加其分散性、化學活性等。其表面改性通常采取的方法是:首先通過不同的氧化處理在CNTs的端口或缺陷處引人羧基等活性基團,然后再由酯化或酰胺化反應等對其進行進一步的接枝改性。由于CNTs具有與聚合物相似的結構,可以與之復合制成高性能的復合材料。此類復合材料在電子器件、吸波隱身材料和其它結構材料等領域具有廣闊的應用前景。
  
  CNTs/聚合物復合材料性能
  
 ?。?)導電性、導熱性 CNTs具有優于銅的導電性,可以取代金屬填料用來制備有機復合導電材料。因為CNTs與有機物的相容性優于金屬,故材料的性能更加穩定,而且質量更輕,同時CNTs高達l000的長徑比可以極大地降低復合材料的滲濾閾值,這是其它填料無法達到的,可用作抗電材料。加入CNTs可使復合材料的熱穩定性大幅度提高。
  
 ?。?)力學性能將酸化處理以后的CNTs與高密度聚乙烯(HDPE)復合,采用機械共混法制備定向CNTs/HDPE復合材料,CNTs的加入,提高了復合材料的屈服強度和拉伸模量,但同時卻降低了材料的斷裂強度和斷裂伸長率。利用CNTs對酚醛樹脂(PF)進行改性,CNTs能夠明顯提高PF/CF復合材料彎曲強度、壓縮強度、層間剪切強度和沖擊強度。
  
 ?。?)摩擦學性能以CNTs為填料制備聚四氟乙烯(PTFE)基復合材料,CNTs/PTFE復合材料的摩擦系數隨著CNTs含量的增加呈降低的趨勢,其耐磨性能明顯優于純PTFE,以CNTs作為填料可有效地抑制PTFE的磨損。
  
 ?。?)抗靜電性能人采用共混紡絲的方法將CNTs加入到丙綸中,并且通過測量其摩擦靜電荷量來研究其抗靜電性能的變化。結果表明:單獨添加少量CNTs難以提高聚丙烯(PP)纖維的抗靜電性能;而添加含有碳納米管的復合抗靜電劑,可以有效地提高PP纖維的抗靜電性能。
  
 ?。?)阻燃性能利用合成的兩種新型阻燃劑SPS和PTE與聚磷酸銨(APP)及MWNTs復配,并應用于低密度聚乙烯(LDPE),得到膨脹型阻燃LDPE-MWNTs復合材料。在該膨脹型阻燃體系中,IFR與MWNTs之問存在明顯的協效阻燃作用,并且大大降低了低密度聚乙烯的可燃性和熱釋放速率(HRR),而且燃燒后的殘碳量大大增加。
  
  CNTs/聚合物復合材料的應用
  
  CNTs作為加強相和導電相在納米復合材料領域有著巨大的應用潛力,其中尤以CNTs/聚合物復合材料的應用研究發展得最快。將CNTs作為導電涂料的導電介質時,其管徑越小,所制得的導電涂料導電性越好。CNTs作為導電涂料的導電介質的最佳長徑比約為250。當CNTs長徑比大于250時,所制得的涂料導電性隨長徑比的增大而減??;當CNTs長徑比小于250時,所制得的涂料導電性隨長徑比的增大而增加。一般地,CNTs的含量越高,所制得的涂料導電性越好。針對新一代吸波隱身材料要求吸收強、寬頻帶、質量輕、厚度薄、功能多、紅外微波吸收兼容以及具有優良的其它綜合性能的要求,利用CNTs特殊的電磁吸波特性,以及聚合物優良的材料性能,研究開發CNTs聚合物基復合吸波功能材料是實現該技術的有效途徑。 返回上頁
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