【摘要】：碳納米管具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱性,高導(dǎo)電性等優(yōu)異性能,是21世紀(jì)備受矚目的新材料。碳納米管纖維是碳納米管在宏觀(guān)尺度上的組合,在結(jié)構(gòu)材料與功能材料等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。但由于其組裝過(guò)程中難以避免的會(huì)引入缺陷,目前宏觀(guān)尺度上的碳納米管纖維的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到碳納米管性能的理想值。因此,具有高性能的碳納米管纖維的穩(wěn)定制備和性能優(yōu)化是目前的研究熱點(diǎn)。本文利用浮動(dòng)催化化學(xué)氣相沉積(FCCVD)法完成了碳納米管纖維的連續(xù)可控制備,系統(tǒng)地研究了各工藝參數(shù)對(duì)碳納米管纖維及其前驅(qū)體結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律;并對(duì)碳納米管纖維進(jìn)行強(qiáng)化處理,優(yōu)化性能;對(duì)比了不同強(qiáng)化狀態(tài)下的碳納米管纖維的斷裂規(guī)律,提出了主要的強(qiáng)化機(jī)制。結(jié)合物理氣相沉積法(PVD)實(shí)現(xiàn)碳納米管纖維與金屬銅復(fù)合,定量的表征了銅含量對(duì)碳納米管纖維的力學(xué)與電學(xué)性能的影響;并對(duì)碳納米管/銅復(fù)合纖維進(jìn)行強(qiáng)化處理,最終探索出一種高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性的碳納米管纖維材料新制備方法。根據(jù)FCCVD工藝的基本原理,本文系統(tǒng)研究了工藝參數(shù)(載氣流量、載氣比例、注液區(qū)溫度、生長(zhǎng)溫度和催化添加劑等)對(duì)碳納米管纖維生長(zhǎng)過(guò)程的影響規(guī)律,研究表明:(1)隨著載氣流量和收集速度的增加,碳納米管束排布有序性增加,內(nèi)部孔隙減少;(2)提高載氣中的氫氣比例,有利于消除碳納米管表面附著的無(wú)定形碳,促進(jìn)碳納米管組裝成碳納米管纖維;(3)溫度升高,碳納米管結(jié)晶度提高,但無(wú)定形碳含量增加;(4)在催化劑內(nèi)添加少量的銅可減少碳納米管壁數(shù)。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)地優(yōu)化實(shí)驗(yàn),獲得了 FCCVD法最優(yōu)工藝:載氣中H2的體積分?jǐn)?shù)不低于67%;注液區(qū)最佳溫度在350-400℃,合理的生長(zhǎng)溫度為1275-1325℃;在催化劑鐵含量固定的前提下,銅添加劑的含量為n(Cu):n(Fe)=1:4～1:2較為合適。通過(guò)合理的控制生長(zhǎng)工藝,碳納米管纖維可以連續(xù)穩(wěn)定的生長(zhǎng),直徑可控,且分布于20-120μm之間。通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算分析,發(fā)現(xiàn)碳納米管纖維抗拉強(qiáng)度與直徑之間存在指數(shù)函數(shù)關(guān)系:σ=15294.5×d-0.82,這為碳納米管纖維的性能預(yù)測(cè)提供了一定的技術(shù)依據(jù)。根據(jù)碳納米管束之間的范德瓦爾斯力的計(jì)算方法,本文認(rèn)為優(yōu)化碳納米管束的密度與取向性是提高碳納米管纖維性能的有效途徑。對(duì)此,采用拉拔法與軋制法對(duì)碳納米管纖維進(jìn)行強(qiáng)化處理。對(duì)碳納米管纖維進(jìn)行直接拉拔處理,碳納米管纖維容易發(fā)生變形回彈,強(qiáng)化效果有限,而且碳納米管纖維表面易被損傷。對(duì)此,本文提出了對(duì)碳納米管纖維包套后拉拔的新方法,有效地抑制了回彈,避免了表面損傷現(xiàn)象,顯著地改善了碳納米管纖維的密度與取向性。在拉拔強(qiáng)化的基礎(chǔ)上,對(duì)碳納米管纖維進(jìn)行進(jìn)一步的軋制處理,充分的消除了碳納米管纖維的內(nèi)部的孔洞,降低了表面的粗糙度,提高了抗拉強(qiáng)度,其抗拉強(qiáng)度最高可以提高到2790±180MPa。分析發(fā)現(xiàn),碳納米管纖維的強(qiáng)化機(jī)制與其密度的提高有著直接的聯(lián)系。隨著密度增加,碳納米管束之間的范德瓦爾斯力增強(qiáng),摩擦力增加,碳納米管纖維承載能力增加,密度與抗拉載荷函數(shù)關(guān)系為F=F0+b×△ρ,抗拉強(qiáng)度與密度之間的函數(shù)關(guān)系為σ = A×ρ+B×ρ2,這為進(jìn)一步地優(yōu)化碳納米管纖維的性能提供了理論依據(jù)。經(jīng)拉拔與軋制強(qiáng)化處理后,碳納米管纖維電導(dǎo)率最高可以達(dá)到(1.36±0.16)×106S/m,但與金屬導(dǎo)電材料還有一個(gè)數(shù)量級(jí)的差距。為進(jìn)一步提高碳納米管纖維的導(dǎo)電性,采用物理氣相沉積法(PVD)法在碳納米管纖維表面鍍覆連續(xù)、致密的銅膜,實(shí)現(xiàn)碳納米管纖維與高導(dǎo)電金屬銅的復(fù)合。復(fù)合銅膜后,碳納米管纖維的電導(dǎo)率提高了2個(gè)數(shù)量級(jí),載流量也得到了顯著的提升,但抗拉強(qiáng)度降低。為了進(jìn)一步提高綜合性能,對(duì)碳納米管與銅復(fù)合纖維進(jìn)行了拉拔和軋制強(qiáng)化處理,同時(shí)優(yōu)化了銅膜的質(zhì)量與碳納米管纖維的結(jié)構(gòu),提高了銅膜與碳納米管纖維界面間相互作用,實(shí)現(xiàn)了碳納米管/銅復(fù)合纖維的力學(xué)性能與電導(dǎo)率的同步提高。碳納米管/銅復(fù)合纖維的有效強(qiáng)度可以提高至101OMPa,是純銅的3倍以上,電導(dǎo)率增加到(2.6±0.3)×107S/m,達(dá)到了純銅的45%,這為輕質(zhì)、高強(qiáng)、高導(dǎo)電率的碳納米管纖維導(dǎo)線(xiàn)的制備提供了理論和技術(shù)依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TQ127.11;TB383.1
【圖文】：

圖 0-1 氯磺酸溶液紡絲工藝制備碳納米管纖維[21]Fig. 1-1 Fabrication of the CNT fibers by chlorosulfonic acid solution spinning[21](a) CNT solution in chlorosulfonic acid, (b) spinning setup, (c) windin g drums withcollected fibers, (d) single and (e) 19 filament spinning圖 1-2 利用氯磺酸溶液紡絲法制備的碳納米管纖維的導(dǎo)電與導(dǎo)熱性能[21]Fig. 1-2 Properties of the CNT fibers fabricated by chlorosulfonic acid s olution spinning[21]

第 1 章 緒論示。圖 0-1 氯磺酸溶液紡絲工藝制備碳納米管纖維[21]Fabrication of the CNT fibers by chlorosulfonic acid solution s solution in chlorosulfonic acid, (b) spinning setup, (c) windin gcollected fibers, (d) single and (e) 19 filament spinning

圖 1-3 利用乙二醇溶液紡絲法制備多壁碳納米管纖維[14]Fig. 1-3 Fabrication of MWCNT CNT fiber by glycol solution spinning[14](a) schematic of the process, (b) image of MWCNT suspension, (c) collected MWCNTfiber綜上所述，除部分方法[13]外，多數(shù)采用溶液紡絲制備的碳納米管纖維力學(xué)性能較低，不適合用作結(jié)構(gòu)材料；而在電學(xué)性能方面表現(xiàn)良好，在功能材料領(lǐng)域則有著良好的應(yīng)用前景。1.2.2 陣列紡絲陣列紡絲是一種被廣泛研究的制備碳納米管纖維的方法。制備過(guò)程主要包括 CVD 法生長(zhǎng)碳納米管陣列和紡絲兩個(gè)過(guò)程[15]：首先在基板上生長(zhǎng)出與基板垂直的碳納米管陣列；再利用特殊機(jī)械裝置將陣列牽出，碳納米管在分子間作用力下自組裝成碳納米管纖維[16]。在 CVD 生長(zhǎng)碳納米管陣列的過(guò)程中，首先，通過(guò)物理氣相沉積(PVD，physical vapor deposition)工藝將催化劑 Fe 沉積到 Si 基板上，形成穩(wěn)定的催化劑層，F(xiàn)e 層厚度控制在 1-3nm 之間，放入反應(yīng)室內(nèi)；然后，通入氬氣將反

【參考文獻(xiàn)】

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1 王忠堂;張士宏;程明;李德富;;高溫合金GH4169管材包套擠壓工藝及組織性能研究[J];鍛壓技術(shù);2010年04期

2 曾紀(jì)杰,熊淵博;板材軋制問(wèn)題中的變形與應(yīng)力[J];鍛壓裝備與制造技術(shù);2004年05期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 劉夏;碳納米管共價(jià)連接網(wǎng)絡(luò)與自組裝纖維的力學(xué)行為分析[D];北京工業(yè)大學(xué);2014年

2 馮建民;安全化學(xué)氣相法制備連續(xù)碳納米管纖維[D];天津大學(xué);2012年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 王平平;C_f/Al復(fù)合材料界面顯微組織和缺陷的形成與演化機(jī)制研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2012年

本文編號(hào)：2764341