碳纳米管

前言：想要写出一篇令人眼前一亮的文章吗？我们特意为您整理了5篇碳纳米管范文，相信会为您的写作带来帮助，发现更多的写作思路和灵感。

碳纳米管范文第1篇

能上《新闻联播》的，肯定是国内外大事！看来这位李教授的研究很了不起，可到底“了不起”在什么地方呢？碳纳米管又是神马东东？哈哈，儿童相见不相识，千万别说你不认识它，它经常会在你的化学考卷里露一脸。

一个球和一个管的故事

碳纳米管，顾名思义，由碳原子组成，它的大小是纳米――也就是10-9米数量级，形状呈管状。区区四个字的名字，涵盖了三个性质，这的确是一个好名字。不过，你知道吗？碳纳米管还有一个名字叫巴基管，这个名字听上去可就土多了，它来源于一个人的名字，这个人叫做巴基・富勒。

巴基・富勒是一个建筑师，以设计未来时代的城市著称。他的代表作艾波卡特坐落于美国佛罗里达州的迪斯尼世界度假区，是这个度假区内除迪斯尼外的第二座主题乐园――未来城市主题乐园。艾波卡特在1982年10月正式开幕，建筑的整体由一个巨大的网格球顶型包裹，周围也都是同样未来派风格的建筑。

在艾波卡特落成后的第3年，1985年，英国化学家哈罗德・克罗托和美国化学家理查德・斯莫利制备出了一种很特别的物质。这种物质的分子由60个碳原子组成，这60个碳原子组成一个足球的形状。看上去和艾波卡特如此之像，再加上克罗托和斯莫利又是巴基・富勒的超级粉丝，于是这种新的物质被命名为富勒烯。在我国，也有人称这种物质为巴基球或足球烯。

我们知道，碳是地球上最重要的元素之一。所有的生物，包括我们人类的身体里，都充满了碳元素。化学家们为了研究碳和碳的化合物，专门开辟了有机化学这一重要的化学领域。化学家们很早就知道，纯净的碳有两种不同的形态――金刚石和石墨，所谓金刚石，就是女士们手上戴着的闪闪发光的钻石；而石墨，是一种黑黑的粉末，是铅笔芯的主要材料。

看上去如此不同的两样东西，居然都是由碳组成的，可见碳的神奇！然而事情还没有完，克罗托和斯莫利的工作带给我们一种全新的认知，碳原子居然还能排列成这个样子！

富勒烯的发现开阔了人们的视野，科学家们开始寻找碳的其他组合方式。功夫不负有心人，1991年，日本物理学家饭岛澄男发现了管状的富勒烯。既然球状的叫巴基球，干脆管状的就叫巴基管吧。这就是我们前面讲到的碳纳米管。在碳纳米管中，每一个碳原子都和其他碳原子一起组成六边形，所有的六边形连接在一起，形成一个管状结构。

制造碳纳米管的最大难题

碳纳米管是一种“超级材料”，它的强度是钢材的300倍，而密度仅仅是钢材的1/6，而且它还拥有良好的柔韧性，可以随意拉伸，被誉为“全能纤维”。碳纳米管有良好的导热性和导电性，也许在不久的将来，它可以取代硅成为计算机芯片的主要材料。

虽然全能，可目前的碳纳米管还只能在实验室中拳打脚踢施展武艺。之所以会这样，是因为想要制造一个碳纳米管实在太困难了！前面那张图里的碳纳米管是一种完美的形状，每个碳原子都和其他的碳原子组成六边形。可是在实际制造碳纳米管的过程中，可没有那么完美了，五边形、六边形、七边形……一个个长得都歪瓜裂枣。这些碳原子会随机组成各种不同的组合，这些不确定的组合会严重影响碳纳米管的性质！人们不知道如何来控制碳纳米管的结构，从而得到性能稳定的成品。这个问题一直困扰了人们20多年。

李彦教授和她的课题组找到了一种很好的方法，可以控制碳纳米管的结构，从而生产出完美的全部六边形的碳纳米管。这一发现，无疑为碳纳米管的深度开发应用奠定了基础。

“全能纤维”也有不少缺点

作为一种超级材料，碳纳米管的应用，无疑能给我们的生活带来很多的便利。不过它也有很多不好的地方。

碳纳米管范文第2篇

关键词：碳纳米管；复合纤维；制备方法；性能

碳纳米管（CNTs），是一种具有特殊结构、直径在10μm～100μm的一维纳米材料，有着优良的力学性能和电学性能。目前，全球对具有特殊或者改进功能的新型纤维的需求不断增加，含CNTs的复合纤维材料已经成为复合材料研究领域的热点之一。CNTs是长径比非常大的准一维纳米纤维状材料，在纺丝过程中聚合物流体会使CNTs沿纤维轴向取向，从而起到微纤增强的作用。研究发现用CNTs增强聚丙烯（PP）纤维[1]和莱赛尔纤维[2]，使其强度和模量都得到很大的提高。

1 碳纳米管复合纤维的制备方法

如何制备高机械性能和优良光电性能的碳纳米管复合纤维引起了材料界的广泛关注，越来越多的科研人员开始从事这一方面的研究工作，CNTs复合纤维有两种常用的方法：原位聚合和物理共混。根据纺丝方法的不同分为熔融纺丝法、溶液纺丝法、电纺法等多种方法。下面主要介绍一下CNTs复合纤维的制备方法。

1.1 原位聚合法制备碳纳米管复合纤维

原位聚合法是利用功能化CNTs表面的官能团参与聚合或利用引发剂打开CNTs的π键，使其参与聚合反应而达到与有机相良好的相容性。经过功能化修饰的CNTs或是表面活性剂如阿拉伯胶分散的CNTs，在原液中得到较好的分散，制备的原液具有较高的可纺性。CNTs的加入量和加入时间对聚合物的性能有很大的影响。

目前贾志杰[3-4]等采用改良原位聚合法来制备碳纳米管/尼龙6复合物，即使单体先聚合一段时间后，再将CNTs加入到反应体系中，得到了机械性能较好的复合材料。

腈纶工业中常用NaSCN溶液作为溶剂，通过原位聚合等方法实现了CNTs在聚丙烯腈（PAN）中的有效分散，制得CNTs/PAN复合材料纤维。为避免碳纳米管在原液中的团聚，采用经过酸洗和阿拉伯胶表面处理的CNTs，其在水溶液中具有良好的分散性。通过原位聚合工艺制得的CNTs/PAN复合材料，碳纳米管在聚丙烯腈基体中能有效地分散，制备的原液具有很好的可纺性能[5]。

通过原位聚合法制备强酸处理过的CNTs与聚对苯撑苯并二恶唑纤维（PBO）的复合材料，由于强酸处理过的CNTs表面具有―COOH和―OH等极性官能团，增强了CNTs与PBO聚合物基体的相容性[6]。试验发现，CNTs能均匀地分散在聚合物基体中，加入5%的CNTs，PBO/CNTs复合纤维的拉伸强度提高了50%，这可能是CNTs表面的官能团和聚合物的官能团发生了化学反应所致，热重分析表明当CNTs含量为5% PBO/CNTs复合纤维比PBO纤维有更好的耐高温性能[7]。

1.2 熔融纺丝制备CNTs复合材料

熔融纺丝法是常用的聚合物成纤加工方法，聚合物和CNTs采用各种方法首先制备成聚合物/CNTs复合材料，再经熔融纺丝制备复合纤维。

熔融纺丝混合CNTs方法源于现有技术，工艺比较简单，且成熟，纺丝可靠。但纺得的纤维含碳率很低，难以大幅提高纤维的机械性能，不过利用低百分含量CNTs，可改善纤维电导率，制备抗静电纺织品。

早在1999年碳纳米管复合纤维被成功研制[8]。将单壁碳纳米管分散到各向同性沥青的喹啉溶液中，除溶剂后，纺丝制成直径18μm 的沥青原纤维，碳化后制备含CNTs的复合碳纤维。CNTs质量百分含量不同时，其拉伸强度、模量、电导率均有不同程度的增加。

Haggen- Mueller[9] 通过熔融纺丝法制得的聚甲基丙烯酸酯/单壁碳纳米管复合纤维，其模量和强度也均有不同程度的增加。

1.3 溶液纺丝制备CNTs复合材料

溶液纺丝法用于不能采用熔融纺丝法成形的成纤聚合物，如PAN、PVA等。成纤聚合物/CNT复合材料溶液可直接纺丝制备纤维。

潘玮[10]等人使用浓硫酸和浓硝酸的混合溶液将多壁CNTs进行羧基化处理后与聚丙烯腈（PAN）进行共混，采用湿法成形技术制备出了多壁CNTs/PAN导电纤维。结果表明：添加CNTs的含量为5%时PAN纤维的强度、储存模量及玻璃化转变温度提高，断裂伸长率下降；添加经过功能化处理的CNTs可以有效地提高纤维的导电性能，当含量为5%时，电导率可达10-3S/cm。

中科院化学所研究人员[11-12]以离子液体为介质，首先制备纤维素/CNTs的离子液体溶液，再通过干喷湿纺技术，以水为凝固浴，制备出再生纤维素/CNTs复合纤维。据介绍，这种复合方法无需对CNTs进行先期表面改性，其中，离子液体既是纤维素的溶剂又是CNTs的分散剂。干喷湿纺过程有效地提高了CNTs在纤维素基体中的取向。和再生纤维相比，复合纤维的力学性能得到显著提高，同时又具有良好的高温模量保持率和较高的热烧蚀残炭率。该技术对于制备纤维素基碳纤维与功能性纤维素纤维，具有潜在的应用前景。

1.4 电纺丝制备CNTs复合材料

静电纺丝是制备CNTs/聚合物复合材料的一种简单易行的方法，是一种利用聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝的加工技术，所得的纤维直径一般在数十纳米至几微米之间，比传统方法制得的纤维直径小几个数量级，是获得纳米尺寸长纤维的有效方法之一。在电纺中，由于CNTs与聚合物溶液的导电性能不同，以及喷丝口处的高剪切作用，使CNTs沿纤维方向规则排列，因此被用于CNTs/聚合物复合纤维的制备。静电纺丝装置主要包括带有正负电极的高压电源、连有针头的注射器（高聚物溶液从注射器流向喷丝头）以及导电性的收集装置（收集任意取向或规整排列的纳米纤维）三个部分。在静电纺丝过程中，由于高聚物的类型不同，因而具有不同的表面剪切性能，从而可以获得具有高强、轻质、低孔隙率等特性的纤维毡，同时高聚物纳米纤维也能具有诸如导电性等各方面的特性。CNTs在复合材料中的分散程度是研究的关键。

通常情况下，可以通过加入表面活性剂，如：十二烷基硫酸钠和triton-X，使CNTs均匀分散于高聚物溶液中，以得到稳定均衡的纳米管悬浮液，但是，这种方法存在的问题是必须将表面活性剂从混合液中分离出来，否则会对溶液产生一些不良的影响。Ye[13]等则分别研究了单壁CNTs和多壁CNTs（MWNTs） 对 PAN电纺纤维的增强作用。在电纺聚合物/CNTs的过程中，由于范德华力的存在SWNTs极易团聚，CNTs的分散程度及其沿纤维的取向程度将严重影响复合纳米纤维的导电性能和力学性能。为了解决CNTs在溶液中的分散问题， 人们进行了诸多尝试，如将表面活性剂十二烷基磺酸钠（SDS） 或聚乙烯吡咯烷酮等吸附于CNTs的表面来实现其在水相中的均匀分散。

1.5 凝聚纺丝法制备CNTs/聚合物复合纤维

所谓凝聚纺丝，是指聚合物分子链吸附于纳米管上，这可称为桥接凝聚作用。凝聚纺丝法需要CNTs高度分散，制备过程一般在以聚乙烯醇做凝聚剂的体系中，由于纵向剪切作用有拉伸性，这种典型的纺丝，不是在静止的浴中，而是在流动浴中进行。这种制备方法可以提高CNTs的质量百分含量，其含量可达到l5%～70%。这种纺丝的优点是加工完全以水为基础，SWNTs或MWNTs都适用；缺点是必须有高品质的分散，CNTs等需要用超声波处理，均匀分散，如CNTs变短，会影响机械性能。CNTs/PVA纤维的韧性要优于蜘蛛丝，断裂前伸长比较大。

Vigolo[14]等通过加入表面活性剂来提高CNTs的分散性能。他们将SWNTs分散在SDS的水溶液中，再注射到旋转的PVA水溶液中，形成直径为几微米到100 微米的PVA/SWNTs纤维，纤维的直径可通过毛细管的内径、注射速率、PVA溶液的旋转速率来进行控制。纤维的密度在（1.3±0.2）g/cm3～（1.5±0.2） g/cm3之间。这种纤维可以打结，柔韧性好于碳纤维，呈现典型的弹性。杨氏模量在9GPa～15GPa之间。室温下电阻率为0.1 Ω。

2 CNTs复合纤维的性能

2.1 CNTs复合纤维的抗静电性能

众所周知，涤纶、丙纶等合成纤维虽有许多优良性能，但它们具有共同缺点：有较强的静电性能，这使其在使用过程中易吸尘、缠绕、电击，甚至会给精密电子仪器、计算机带来故障，也给纺织加工带来困难。使用具有优良导电性能的CNTs来改性聚酯纤维等合成纤维，使合成纤维导电性能得到改善。

采用聚酯型抗静电剂与CNTs相结合制备出新型抗静电母粒，将其与聚酯切片共混纺丝，即可获得抗静电效果优良且稳定的纤维。根据高绪珊等人[15]提出的纤维内部极化放电的抗静电机理，以及CNTs本身的导电性能，使新型纤维在低湿度条件下仍具有很好的抗静电性。通过试验，高绪珊等人发现，采用含有CNTs的新型抗静电母粒制备的新型抗静电纤维与普通抗静电纤维相比抗静电性能更持久，表面抗静电剂洗去后，仍具有抗静电性能，并且其抗静电剂不受环境湿度的影响，在低湿度条件下仍具有很好的抗静电性能。

2.2 CNTs复合材料的强力

在适量酰基化CNTs均匀分布的聚合纤维中，CNTs通过化学键作用与基体高聚物相互作用，提高了CNTs与高聚物间的界面作用，有较好的增强效果。研究表明，在CNTs的质量分数为0.05%时纤维的断裂强度和初始模量较纯 PA6分别增加了60%和86%。该增强是一种微纤增强，CNTs沿纤维轴向取向，并且CNTs与PA6基体间形成了有效的相互作用力，这种相互作用力能有效地把载荷转移到CNTs上，达到增强的作用[16]。

众所周知，再生纤维素纤维的强力比较低，CNTs/再生纤维素纤维的强力得到明显改善。当CNTs/Lyocell复合纤维中所添加的CNTs百分量较少（质量分数≤1 ）时，CNTs在Lyocell基体中分散较为均匀，因此CNTs的添加起到了较好的增强作用，使得纤维的力学性能提高，添加适量的CNTs的Lyocell纤维的初始模量和强度分别比未添加CNTs的Lyocell增加32.9%和18.8%[17]。

2.3 CNTs复合材料的吸波性能

由于CNTs独特的一维管状纳米结构，使CNTs既可以是金属性的也可以是非金属性的，甚至是同一根CNTs的不同部位，由于结构的变化，呈现出不同的导电性。此外，电子在CNTs的径向运动受到限制，表现出典型的量子限域效应；而电子在轴向的运动不受任何限制。因此，可以认为CNTs是一维量子导线。至目前为止，CNTs的吸波机理还不清楚，一种观点认为它作为偶极子在电磁场中产生耗散电流即属于电损耗型吸波材料；还有一种观点认为CNTs具有的手征性使其成为一种旋波介质，从而增强了材料的吸波性能。无论其吸波机理如何，CNTs作为单一吸收剂的吸波值不是很强，尚不能达到实际应用。

研究表明[18]，层数较少但直径较大的多壁CNTs的电子性质基本保持相应单壁CNTs的性质；直径较小的多壁CNTs由于曲率较大使其层间相互作用较大，可能会改变其电子结构。然而对更复杂多壁纳米碳管的电子状态研究比较少，其性能很可能更接近于石墨的电性质。由于特殊的结构和介电性，CNTs表现出较强的宽带微波吸收性能，它同时还具有质量轻、导电性可调、高温抗氧化性能强和稳定性好等特点，是一种有前途的微波吸收剂，有可能用于雷达吸波材料；电磁屏蔽材料或暗室吸波材料。

3 展望

综上所述可以看出，传统的成纤方法制备的复合材料纤维，少量CNTs的加入就可以达到增强的效果，使复合纤维具备了新的性能。CNTs复合材料纤维是CNTs产业化应用的一个重要途径，具有重大的理论意义和实际意义。

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碳纳米管范文第3篇

关键词：碳纳米管；蜡基复合粘结剂；金属粉末注射成形

中图分类号：TB321；TB324 文献标识码：A

在众多金属基复合材料增强相中，碳纳米管（CNTs）以其独特的结构和性能为人们所青睐.选择碳纳米管作为增强相，金属基复合材料有望获得高强度、高导电、高导热、低膨胀、轻质等优异的综合性能，更难能可贵的是由于碳纳米管良好的柔韧性，复合材料将易于加工和处理.因此这一诱人的应用前景已经吸引人们为之努力.J.Yang等[1]用酒精和酸将碳纳米管与镁粉分散混合，干燥后在25 MPa的压力下进行热压烧结.结果表明：碳纳米管在基体中呈束状分布，增强相与基体相之间没有发生界面反应，强度最高仅为200 MPa.孟飞等[2]采用粉末冶金工艺结合轧制退火制备了碳纳米管弥散强化铜基复合材料，研究表明，碳纳米管弥散强化使材料的硬度得到了提高，但分布的均匀性及两相的结合仍不够理想.韩国Walid等[3]首先采用化学镀方法在碳纳米管表面沉积铜，冷压后利用等离子体火焰烧结成型.结果表明其硬度可为原来的两倍，杨氏模量提高近一倍.但是热膨胀系数仍然很高，界面结合程度不好、碳纳米管分布不均以及空隙的产生影响了复合材料综合性能的发挥.Kim等 [4]采用分子水平混合法制备碳纳米管增强铜基复合粉末，然后通过等离子体火焰烧结成功地制备了碳纳米管分散均匀的复合材料.我们课题组[5]也取得了一些研究成果，采用静电组装方法通过液相预先合成微米级的碳纳米管-铜复合颗粒.碳纳米管被“锁”在复合颗粒中，可极大地减少烧结过程中的偏聚，烧结成形后的复合块材热导率为240 W/（m·K）以上，热膨胀系数小于8×10-6 /K，但这些方法既耗时又昂贵，难以实现规模化生产.

由此可见，为了适应规模化生产，通过机械或借助溶剂等简单的方法作为混合手段难以使碳纳米管在足够含量下实现单分散和在整个金属基体内的均匀分布.相对于金属基体，具有一定粘度的聚合物，不论是在溶液混合或熔融混合中都能较容易地实现碳纳米管的锚固和分散，有关碳纳米管增强聚合物基复合材料的研究也已取得了很大进展.基于这一特点，我们考虑将分散了碳纳米管的聚合物为主要组分的有机物作为粘结剂与金属粉末混炼形成喂料，再采用注射成形，通过有效的脱脂和烧结等工艺，就可获得复合材料块体，这就是已发展了数十年的粉末注射成形技术（PIM）[6-8].脱脂是PIM技术的关键环节，既要使粘结剂脱除干净，又要保留碳纳米管与金属粉末颗粒，这就要求碳纳米管与粘结剂体系以非共价键方式连接.此外，研究还表明，在粘结剂中添加碳纳米管不但能改善力学性能，而且还能提高导热性能，这对在脱脂过程中减少热应力、防止裂纹非常有利.目前，粉末成形技术对单一的金属制品的制备已比较成熟，对二元金属体系如钨铜、钼铜等也已有商业化产品[6，9-10]，但应用于复合材料领域则是新的方向，特别是应用于纳米增强相的复合体系更是一个全新的探索.

PIM主要包括混料、制粒、成形、脱脂及烧结5个步骤，而混料中的粘结剂是PIM技术的核心.它既是注射时提供流动性的载体，又在成形坯脱脂阶段起着维持坯块形状的作用，进而对注射成形坯的质量、脱脂、尺寸精度及合金成分等有很大的影响.因此，对粘结剂的流变学性能、热性能等进行研究显得尤为重要.本文将功能化的碳纳米管引入PIM常用的蜡基粘结剂中，获得碳纳米管分散均匀的新型复合粘结剂.碳纳米管的加入提高了粘结剂的结晶度，改善了它的热稳定性，但对其流变学性能影响不大.

1实验材料及方法

本实验采用的碳纳米管为北京天奈科技有限公司生产，直径为20～50 nm，纯度为95%.将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，微波加热30 min得到有效的纯化.

称取一定量的石蜡和碳纳米管加入烧杯中， 80 ℃水浴并机械搅拌30 min，形成碳纳米管石蜡混合物.将此混合物加入已升温至80 ℃，搅拌速度为30 r/min的密闭混炼机中，将混炼机调温至135 ℃、转速调为45 r/min，待温度稳定后加入低密度聚乙烯（LDPE），15 min后加入硬脂酸.待LDPE基本熔融后将混炼机调温至150 ℃，温度稳定后加入高密度聚乙烯（HDPE），混炼1 h后得到碳纳米管改性的粘结剂.

红外光谱分析是在WQF410型傅里叶变换红外光谱仪上进行的，吸收光谱扫描的波数范围为400～4 000 cm-1.将样品的观察面（液氮脆断面）喷金后用日立Hitachi S4800型场发射扫描电子显微镜观察形貌.使用OLYMPUS BX51型偏光显微镜（PLM）对复合粘结剂进行晶体形态表征.用Philips PW 1710型X射线衍射仪对样品进行物像分析.粘结剂的粘度是用上海精密仪器有限公司的NDJ8S型数字显示旋转粘度计测量的.DSC和TGA在德国耐驰NETZACH STA 449C型差热分析仪上测试，氮气气氛，升温速率5 ℃/min，扫描范围30 ～ 800 ℃.

2结果与讨论

2.1红外分析

2.2复合粘结剂的形貌

图2给出了添加含量都为4%（质量分数）的功能化前后碳纳米管的复合粘结剂断面SEM图.为了避免聚乙烯（PE）纤维对碳纳米管分布的干扰，样品截面是在液氮中脆性断裂后获得的.如图2（a）所示，在较低放大倍率下未经处理的碳纳米管在复合粘结剂中分布不均匀，有团聚（如图中圈出区域）.而经功能化处理后的碳纳米管分布则比较均匀（如图2（c））.这种截然不同的现象缘于功能化处理后的碳纳米管表面接枝有许多官能团，这些官能团的存在使得碳纳米管与PE链之间的范德华作用力增强[11]，从而显著改善了碳纳米管与PE的润湿性.图2（d）还显示碳纳米管外壁有一层厚厚的包覆层，其总直径为150～200 nm，图2（d）右上角的透射电镜照片进一步表明碳纳米管与包覆层结合紧密.与此形成鲜明对照的是，使用未处理的碳纳米管的粘结剂，碳纳米管加包裹层仅100 nm，且结合疏松，这进一步说明原始碳纳米管与基体的润湿性不好.这一现象与碳纳米管的表面结构及聚合物的结构特点紧密相关.已有研究表明，碳纳米管可诱发PE在其表面上形成纳米晶[12-13].这是由于在熔融状态的PE链能量较高倾向于附聚在功能化的碳纳米管表面以降低其表面能[14].此外，功能化的碳纳米管表面存在很多缺陷，使得其直径与聚合物链的回转半径（PE100 kg/mol，Rg13.8 nm）更相近，其高度弯曲的表面导致强烈的几何限制作用，从而迫使聚合物链以碳纳米管为轴结晶，这与文献[12]报道的一致.PE包覆层可以将碳纳米管彼此隔开，同时可以克服纳米碳管之间存在的较大范德华力，防止碳纳米管团聚，极大地提高了碳纳米管在PW中的分散能力.

2.3复合粘结剂的结晶性能

图3（a），（b），（c）和（d）分别为碳纳米管含量0， 2%， 4%和6%（质量分数）的复合粘结剂的偏光显微照片（暗色区域为非晶区，亮色区域为结晶区）.可看出，随着碳纳米管含量的增加，图中片状物尺寸变小，白点的数量增加，说明碳纳米管的加入起到促进形核的作用，并使晶粒细化.为了证实偏光图片的分析结果，我们采用XRD对不同碳纳米管含量的粘结剂进行表征，结果（图4）显示，4种粘结剂的主要吸收峰均出现在2θ为21.3°和23.6°，分别对应于PE的 （110） 和 （200） 晶面.与不含碳纳米管的粘结剂相比，碳纳米管改性的粘结剂在21.3°处的吸收峰明显增强，这进一步说明碳纳米管作为一种增强相能促使基体形核结晶.众所周知，聚合物材料的物理性能很大程度上取决于它们的显微结构和结晶度，且弹性模量和柔韧性等机械性能也受结晶性的影响.添加碳纳米管后粘结剂结晶度的提高和晶粒的细化将导致生坯强度的提高，十分有利于从成型、脱脂到烧结过程中保形性的需求.

2.4复合粘结剂的流变学性能

在注射成形温度下，粉末注射成形喂料的流动性是由粘结剂提供的.为了有效调节注射成形参数以实现良好的充型，需要对粘结剂的粘度进行测定.由于PIM喂料的粘度与工业上使用的热塑性塑料的粘度处于同一范围，测定粘结剂粘度，一般采用塑料行业中所使用的毛细管粘度计.但由于实验条件有限，本实验将常用于测量液体表观粘度的旋转粘度计用来测量熔融状态下复合粘结剂的粘度，也能在一定程度上反应在注射成形温度下粘结剂的流动性.在已知转子转速的条件下，试样对转子的粘滞阻力由测力传感器测得后，即可获得该温度下剪切应力与剪切速率的比值，也就得到了粘度值.原始碳纳米管和功能化碳纳米管的含量与粘度的关系如图5所示.我们可以发现，碳纳米管的加入使得粘结剂的粘度增加.这是因为碳纳米管和粘结剂分子链之间的作用力阻碍了它们的相对运动.因此，我们可以选择较低分子量的聚合物作为粘结剂的组份，这样既能满足流动性和保形性的需求，又有利于后续的脱脂和烧结.进一步增加碳纳米管的含量，粘结剂的粘度没有明显增加，且原始碳纳米管和功能化碳纳米管对粘度的影响趋于一致，说明阻碍作用到达极限值时，粘度也将不再升高.上述结果证明，添加碳纳米管对粘结剂的流动性影响不大，此粘结剂仍能满足金属粉末注射成形对流动性的要求.

2.5复合粘结剂的热性能

图6显示的是添加了6%（质量分数）功能化碳纳米管的改性粘结剂与不含碳纳米管的粘结剂的DSC和TGA性能对比.在DSC曲线图（图6（a））中对应的第一个吸热峰61 ℃对应石蜡的玻璃化温度，第二个吸热峰121 ℃对应PE的玻璃化温度.从方框内曲线可看出，碳纳米管改性粘结剂中PE的玻璃化温度（Tg为121.818 ℃，比普通蜡基粘结剂中PE的结晶温度高1.379 ℃）.此外，如图6（b）所示，作为添加剂的功能化碳纳米管使聚合物基体的热分解温度也提高了.从以上结果看来，由于功能化碳纳米管在复合粘结剂中均匀分布，即使在大量石蜡存在的情况下也能诱导PE形成大量的微晶区，提高材料整体的结晶度.同时由于碳纳米管表面有大量的羟基和羧基，能够和PE分子链形成较强的作用力，限制PE链的自由运动，这样就使复合粘结剂中PE的Tg较纯粘结剂中PE有所提高.

更重要的是，热重曲线可用于确定注射成形过程中熔体的上限温度和分解温度，从而制定出合适的成形和脱脂工艺.为了避免粘结剂在混炼和注射等成形过程中降解，应使温度低于170 ℃.当温度达到500 ℃时两种粘结剂的降解趋于稳定.纯粘结剂几乎完全分解，残留量仅为0.15%（质量分数）.碳纳米管改性粘结剂的残留量是10.39%.这是由于在氩气气氛保护下碳纳米管并没有降解，且粘结剂分解后有少量的残余碳.这一结果说明，碳纳米管的加入没有对粘结剂的脱除产生很大影响，热脱脂后能够得到较纯净的样品.

3结论

通过熔融混炼成功制备了碳纳米管改性的复合粘结剂.扫描电镜显微照片显示，功能化的碳纳米管在粘结剂基体中能均匀分散，而未经处理的碳纳米管则有较严重的团聚.实验结果表明，功能化碳纳米管的加入能有效提高粘结剂的结晶度，从而将提高生坯的强度和保形性.此外，碳纳米管的加入对复合粘结剂的粘度影响不大，这样就可以既满足保形性要求的同时又不影响喂料的流动性.碳纳米管与粘结剂之间以非共价键连接，这样就可以既使粘结剂脱除干净又保留碳纳米管和金属粉末.综上所述，这种新型碳纳米管改性复合粘结剂适用于金属粉末的注射成形.

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碳纳米管范文第4篇

关键词：碳纳米管；增韧；氮化硅陶瓷；复合材料

碳纳米管主要是由单层或者是多层圆柱石墨片而组成的，所以碳纳米管分为单壁和多壁之分[1]。当前，碳纳米管增韧氮化硅陶瓷作为复合材料，需要人们加大对其的研究力度，进而提升材料的抗热震性能，并加强其材料的应用，使得碳纳米管氮化硅陶瓷复合材料的增韧性有明显提升。

1实验

1.1原料

本次对碳纳米管增韧氮化硅陶瓷复合材料进行研究过程中，试验原料包含氮化硅（Si3N4）、氧化钇（Y2O3）、氧化铝（Al2O3）、乙醇（C2H2）、石墨纸（C）、氮气（N2）。SiN4是上海硅酸盐研究所生产的，的含量超过85%，而且费氏粒度达到1.2μm，在实验过程中，在碳纳米管内加入浓硝酸和浓硫酸混合液，配比为3：1。在碳纳米管中加入添加剂MgO和CeO2，试样原料的配比具体如表1所示。

1.2工艺流程

实验人员预先对碳纳米管进行处理，按照一定比例予以分配，在塑料筒内将酒精和硬质的合金球加以湿磨处理，磨好后的混合料在干燥的环境下过筛[2]。此外，称取少量的粉末，将其放入石墨模具中，按照设定的烧结工艺其进行烧结，最后，对烧结试样的硬度、密度和韧性等指标予以测量，并利用显微镜对试样断面的显微结构和晶相结构予以分析[3]。在烧结过程中，利用热压烧结方式，以15℃/min的速度将温度分别升至1600℃、1650℃、1700℃、1750℃，保温1h，在氮气保护下，保证压力为30Mpa，然后炉内的温度在自然状态下与室内温度一致。

1.3测试

对试样的测试方法具体如下：密度根据国标GB2413-18，并结合阿基米德定律，测量干燥试样的质量m1，试样吸水饱和质量为m2，在水中的质量为m3，然后代入公式求得试样体积密度ρ0=m1ρ0/（m2-m3），其中，ρ0为室温下液体水的密度，根据室温查有关表查得ρ0值[4]。烧结试样的理论密度计算公式为：1/d=n1/d1+n2/d2+n3/d3......+nm/dm），然后利用排水法测量密度，除以理论密度就能够求得试样的相对密度[5]。测量材料的断裂韧性和硬度需要采用压痕法，本次加载压力为1kg，加载时间为40s，断裂韧性的计算公式为KIC=0.016（E/HV）1/2P/b3/2。式中的Hv是硬度，GPa；E为弹性模量，MPa，P为载荷，N；B为裂纹半长，单位是mm。通过用扫描电镜对断口形貌，在测试时，加速电压为25kV，粉分辨率为6nm。

2结果与讨论

2.1氮化硅陶瓷复合材料的力学性能

通过对碳纳米管进行试验研究表明，当烧结温度为1600℃、1650℃、1700℃时，试样的硬度和密度随着碳纳米管的的加入而减少，碳纳米管的加入不利于改善氮化硅陶瓷复合材料性能。烧结温度为1750℃，在碳纳米管中加入0.99%试样，其断裂韧性和硬度最佳，分别为7.47MPa°m1/2和16GPa，与未加入相比，提升了6%。如果碳纳米管的加入量增加时，试样的力学性能下降，氮化硅陶瓷的烧结温度提升[6]。

2.2氮化硅陶瓷复合材料的显微结构

通过对氮化硅陶瓷复合材料结构进行显微观察，晶粒发育比较良好，致密度也很高，而且有细长柱状的β-SiN3和等轴状的α-SiN。

2.3实验结果分析

通过实验结果表明，碳纳米管的作用主要为如下几个方面，第一，能够进行氮化硅陶瓷材料的孔隙，复合材料的致密度低。第二，在烧结过程中，碳纳米管能够阻碍复合材料的融合，降低致密度。如果碳纳米管的含量低，可以被氮化硅粉末分散，达到填充的效果，避免结团；当其含量增加时，致密度下降。如果碳纳米管的加入量少于1%，氮化硅材料的纤维和致密度、硬度都增加；若加入量少于2%，致密度下降，并出现碳纳米管粘连的现象，纤维长径比减小，隔断了氮化硅的连续性。在本次实验中，碳纳米管的最佳加入量为1%。试验的断裂为沿晶断裂，而且碳纳米管分布不均匀，粘结较少，在断口处能将碳纳米管拔出。此外，碳纳米管和氮化硅的热膨胀匹配性较好[7]。

3结束语

在1700℃热压下进行烧结，并配合MgO和CeO2复合烧助剂的使用，能够降低烧结温度，获取高致密度的SiN4制品。烧结温度为1600℃、1650℃、1700℃时，碳纳米管增加，但氮化硅陶瓷的相对硬度和密度减少，如果碳纳米管含量为0.99%，则氮化硅陶瓷复合材料的韧性提升6%，如果过度的增加，将起到相反效果。碳纳米管增韧氮化硅复合材料主要靠纤维拔出机制，从而提升氮化硅陶瓷的韧性[8]。

参考文献

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碳纳米管范文第5篇

碳纳米管具有良好的微波吸收能力，通过改变它的结构和浓度，可以调节其吸波功能，温度也能影响其吸波能力，经过高温处理的碳管，其内部结构经过重整，晶粒尺寸减小，有序化程度大大增加，介电常数的实部和虚部都减小，吸波峰点向高频方向移动，使得它对微波的低频部分吸收能力下降，高频区域吸波能力增强。

2碳纳米管在机械电子元件中的应用

2.1碳管在机械设备中的应用

碳纳米管具有很高的强度，将其作为复合材料或涂层的增强体，可以提高材料的减摩抗磨性能，降低汽车动力因摩擦而产生的消耗，降低传动系统的摩擦与磨损。碳管与塑料相聚合，可以制得高比强度和高弹性模量的功能塑料，碳管的密度极小，可在汽车的轻量化生产中发挥重大作用，还可以应用于汽车车身和轮船上，减轻介质对车身和船壁的腐蚀。

2.2传感器

2.2.1压力传感器。由碳纳米管构建的纳米压力传感器，不仅具有体积小、重量轻的特点，还能够降低功耗，扩大测量范围和提高灵敏度。碳纳米管具有很好的形变，诱惑电阻发生变化，可以作为压阻敏感元件，从而提高灵敏度。基于碳纳米管的电阻温敏特性，当温度变化时，碳管的电阻也随之变化，由于其具有非常高的电阻温度系数，因而可进一步提高灵敏度。

2.2.2气体传感器。将碳纳米管置于材料基底上，可制得灵敏度高、响应迅速、尺寸小、能耗低的气体传感器，能够检测环境中的NH3、NO、H2、CO、O2、SO2和H2S。通过金属或半导体修饰以及金属氧化物修饰，都能够提高传感器的灵敏度，根据气体击穿时的电流，还可以测定气体的浓度，此种传感器还具有良好的选择性和防干扰性能。碳管气体传感器在生产、检测和测试领域都具有广泛的应用。

2.3超级电容器

碳纳米管具有良好的导电性能和较强的机械性能，通过对其进行改性处理或与其他材料复合，可以制得提高电容器的电容特性。将其作为电极，还可以显著增强超级电容器的功率密度和能量密度。将碳纳米管进行活化处理，可以提高其比表面积，不仅可以增大超级电容器的电容特性，还可以改善其循环寿命。

2.4投影显示仪

碳纳米管是一种优良的场发射冷阴极材料，由于其颗粒直径小、比表面积大，不仅可以增加显示屏的散射中心，增强散射效应，改善了显示屏的亮度均匀性，提高显示性能，还可以作为黑色组元增强显示屏的对比度，提高其对环境光的抗干扰性能。

3碳纳米管衍生物

随着碳纳米管的不断发展，单一的碳管已经不足以满足其在多功能材料方面的应用，将碳管进行掺杂、填充、修饰、包覆、共混、接枝和超声波处理，可以得到复合碳纳米管，两种材料协同增效，不仅能够增强原有材料的力学性能，还能改善其电学性能。经超声波处理的碳纳米管具有复合电磁功能，可以作为雷达吸波材料和隐身材料。乙烯合成薄膜的碳纳米管密度高、吸附能力大，对挥发性的有机小分子具有很强的吸附能力。在碳纳米管中引入某些基团，可以提高催化剂的活性，增强催化性能。

4碳纳米管的应用前景

碳纳米管拥有潜在的优越性能，利用碳纳米管可以制成像纸一样薄的扬声器，还可以充分发挥其强度和硬度上的优势，做成网球球拍，微型纳米收音机、纳米齿轮、纳米马达在不久的将来也有望走进人们的生活。此外，碳纳米管还可以应用于微型芯片、超声波粉碎机等。目前，碳纳米管的研究目标就是实现碳管的高度集成化、小型化，提高其与复合材料的相容性，这必将引起一场科技革命的新突破。

5结语