幾種含碳納米管復合體系的制備、表征及相關應用研究.pdf

1、隨著對原子級制造工藝越來越多的認識，納米技術成為21世紀各個領域都十分關心的重點技術，碳納米管(CNTs)以其優(yōu)異的性能倍受科學界的關注，被認為具有廣泛的應用前景。碳納米管作為一種新型的材料，顯示出了現有傳統(tǒng)纖維無法比擬的優(yōu)異特性，有望成為先進復合材料的理想增強體。尤其是在聚合物基和無機非金屬基復合材料方面，含CNTs復合材料的研究已取得了不少研究成果，在改善基體性能方面取得了明顯效果。
　　 為了對CNTs與聚合物、金屬粉末的

2、復合行為及體系性能進行更深入的研究，本論文對CNTs進行表面改性，并將其與環(huán)氧樹脂和金屬銀進行復合，以改進環(huán)氧樹脂材料的力學性能、電學性能;將CNTs與微/納米鐵粉復合，并對體系的流變特性進行系統(tǒng)評價，以研究其對金屬粉末注射成型的影響，以解決注射成型工藝中存在的一些關鍵問題。
　　 主要研究結果如下:
　　 1.采用超聲波分散及真空澆鑄成型法制備的碳納米管/環(huán)氧樹脂復合材料能明顯提高環(huán)氧樹脂的力學性能和電性能。碳納米管的

3、添加量在1.7wt％以下時能有效提高復合材料的力學性能。當碳納米管的添加量為0.75wt％時，復合材料的綜合力學性能最佳，其拉伸強度、拉伸模量、斷裂伸長率較環(huán)氧樹脂基體分別提高了18.2％，16.1％和85.5％。進一步分析表明:斷裂時能量主要分三部分吸收，分別是碳納米管的拔出功，碳納米管的斷裂功以及碳納米管與基體的脫粘功。其中碳納米管拔出時吸收能量最多，為5kJ/m2，斷裂功為1.1 kJ/m2，碳納米管與基體的脫粘功為0.15kJ/

4、m2。顯微結構分析表明:隨著碳納米管的加入，復合材料的斷面形貌從光滑變得粗糙，裂紋擴展受阻，表明碳納米管對復合材料的增強效果顯著。碳納米管/環(huán)氧樹脂復合材料的電阻大幅度下降，體系的導電性增強，體系的兩個滲流閾值分別出現在碳納米管含量約為0.3wt％時和1.1wt％時。
　　 2.添加改善碳納米管分散性的添加劑十二烷基苯磺酸鈉(SDB)有助于提高碳納米管的分散性，從而進一步提高復合材料的力學性能。加入2.25wt％的SDB時，復合

5、材料的拉伸強度、拉伸模量、斷裂伸長率分別提高21.4％、26.0％、40.7％。體系的兩個滲流閾值出現在SDB的含量為0.4wt％和2.25wt％時。顯微結構分析表明添加劑處理后的碳納米管在復合材料中的分散程度增加，裂紋更加不平，斷面出現類似韌窩狀特征，因此，復合材料的強度更高。
　　 3.分別用機械球磨法和化學鍍的方法制備了兩種銀/碳納米復合管。當球磨法制備的復合管加入量為25wt％時，復合材料的拉伸強度、拉伸模量、斷裂伸長率

6、分別比未加銀粉時增加19.6％、16.6％、15.3％;復合材料的兩個滲流閾值分別出現在復合管含量為15wt％和31wt％處?；瘜W鍍法制備的復合管加入量為20wt％時，復合材料的拉伸強度、拉伸模量、斷裂伸長率分別比未加碳納米管時增加34.1％、33.3％、19.3％;該復合材料的兩個滲流閾值分別出現在復合管含量為11wt％和25wt％時。相對于機械球磨法制備的復合管和純碳納米管增強相，用化學鍍法制備的銀/碳納米復合管能更大幅度提高環(huán)氧樹

7、脂的力學和電性能的作用。
　　 4.用機械合金化方法制備了微米鐵粉/碳納米管復合粉體，將傳統(tǒng)粘結劑體系進行優(yōu)化后，將該復合粉體與優(yōu)化后的經典粘接劑混合，制備了微米鐵粉注射成型喂料。研究發(fā)現，微米鐵粉/碳納米管復合粉體可以改善鐵粉在粘結劑中的分散效果，0.2wt％的碳納米管與微米鐵粉復合后制備的喂料裝載量可達54vol％，粘流活化能E=16.5kJ/mol，應變敏感因子n=0.39。紅外光譜研究表明，碳納米管加入可以誘導C=O雙鍵

8、的打開，強化鐵粉與粘結劑連接，這種結構有助于鐵粉顆粒在粘結劑中的分散，避免鐵粉的團聚。
　　 5.用超聲分散結合機械合金化的方法制得了納米鐵粉/碳納米復合粉末。將納米鐵粉與碳納米管以20∶1的比例制備的復合粉末加入傳統(tǒng)的微米級粉末注射成型喂料中，裝載量可提高至58vol％，改進后的喂料粘流活化能以及應變敏感性因子最小，分別是14.79kJ/mol和0.2，對溫度以及剪切速率變化敏感，微觀結構分散均勻，缺陷較少。研究表明復合粉末可

9、以在苯環(huán)其它C原子位置上取代功能團，從而與其他粘結劑分子形成比較緊密的鍵合作用，有助于提高喂料生坯穩(wěn)定性，減少產品的變形。另外，復合粉末的加入使得鐵粉與粘結劑的連接加強，這種結構有助于防止注射成形過程中由于剪切速率過高而導致鐵粉與粘結劑產生分離，從而減少鐵粉的團聚以及由此引發(fā)的各種缺陷。
　　 6.首次制備了全納米鐵粉喂料，研究發(fā)現，隨溫度升高或者剪切速率增大，全納米喂料的粘度均降低。但由于高比表面積的關系，相同溫度或剪切速率下

10、，其粘度比微米粉末制備的喂料粘度高。顯微結構分析表明0.2wt％的碳納米管可以在納米鐵粉之間維持一定的分散距離以防止團聚，增加粉末之間的流動性，降低應變敏感因子。當裝載量為35vol％時，粘流活化能及應變敏感因子分別是15.87kJ/mol和0.2，微觀結構均勻，缺陷較少。對納米鐵粉喂料顆粒間的相互作用能的計算結果表明，對于球形Fe粉，隨著顆粒尺寸的減少，吸引勢能和排斥勢能逐漸靠近。當顆粒直徑為40nm，裝載量在33vol％左右時，體系