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碳納米管納米復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀及問(wèn)題

作者：未知請(qǐng)聯(lián)系更改編輯：studa1211

[摘 要]文章介紹了碳納米管的結(jié)構(gòu)和性能，綜述了碳納米管/聚合物復(fù)合材料的制備方法及其聚合物結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和聚合物功能復(fù)合材料中的應(yīng)用研究情況，在此基礎(chǔ)上，分析了碳納米管在復(fù)合材料制備過(guò)程中的純化、分散、損傷和界面等問(wèn)題，并展望了今后碳納米管/聚合物復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)。

[關(guān)鍵詞]碳納米管；復(fù)合材料；結(jié)構(gòu)；性能

自從 1991 年日本筑波 NEC 實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家飯島澄男(Sumio Iijima)[1]首次報(bào)道了碳納米管以來(lái)，其獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)與性能引起了科學(xué)工作者的極大興趣。按石墨層數(shù)的不同碳納米管可以 分 為單壁碳 納 米管(SWNTs) 和多壁碳 納 米管(MWNTs)。碳納米管具有極高的比表面積、力學(xué)性能(碳納米管理論上的軸向彈性模量與抗張強(qiáng)度分別為 1~2 TPa 和 200Gpa)、卓越的熱性能與電性能(碳納米管在真空下的耐熱溫度可達(dá) 2800 ℃，導(dǎo)熱率是金剛石的 2 倍，電子載流容量是銅導(dǎo)線(xiàn)的 1000 倍)[2-7]。碳納米管的這些特性使其在復(fù)合材料領(lǐng)域成為理想的填料。聚合物容易加工并可制造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件，采用傳統(tǒng)的加工方法即可將聚合物/碳納米管復(fù)合材料加工及制造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件，并且在加工過(guò)程中不會(huì)破壞碳納米管的結(jié)構(gòu)，從而降低生產(chǎn)成本。因此，聚合物/碳納米管復(fù)合材料被廣泛地研究。

根據(jù)不同的應(yīng)用目的，聚合物/碳納米管復(fù)合材料可相應(yīng)地分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料兩大類(lèi)。近幾年，人們已經(jīng)制備了各種各樣的聚合物/碳納米管復(fù)合材料，并對(duì)所制備的復(fù)合材料的力學(xué)性能、電性能、熱性能、光性能等其它各種性能進(jìn)行了廣泛地研究，對(duì)這些研究結(jié)果分析表明：聚合物/碳納米管復(fù)合材料的性能取決于多種因素，如碳納米管的類(lèi)型(單壁碳納米管或多壁碳納米管)，形態(tài)和結(jié)構(gòu)(直徑、長(zhǎng)度和手性)等。文章主要對(duì)聚合物/碳納米管復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并對(duì)其所面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行討論。

1 聚合物/碳納米管復(fù)合材料的制備

聚合物/碳納米管復(fù)合材料的制備方法主要有三種：液相共混、固相共融和原位聚合方法，其中以共混法較為普遍。

1.1 溶液共混復(fù)合法

溶液法是利用機(jī)械攪拌、磁力攪拌或高能超聲將團(tuán)聚的碳納米管剝離開(kāi)來(lái)，均勻分散在聚合物溶液中，再將多余的溶劑除去后即可獲得聚合物/碳納米管復(fù)合材料。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、方便快捷，主要用來(lái)制備膜材料。Xu et al[8]和Lau et al.[9]采用這種方法制備了CNT/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，并報(bào)道了復(fù)合材料的性能。除了環(huán)氧樹(shù)脂，其它聚合物(如聚苯乙烯、聚乙烯醇和聚氯乙烯等)也可采用這種方法制備復(fù)合材料。

1.2 熔融共混復(fù)合法

熔融共混法是通過(guò)轉(zhuǎn)子施加的剪切力將碳納米管分散在聚合物熔體中。這種方法尤其適用于制備熱塑性聚合物/碳納米管復(fù)合材料。該方法的優(yōu)點(diǎn)主要是可以避免溶劑或表面活性劑對(duì)復(fù)合材料的污染，復(fù)合物沒(méi)有發(fā)現(xiàn)斷裂和破損，但僅適用于耐高溫、不易分解的聚合物中。Jin et al.[10]采用這種方法制備了 PMMA/ MWNT 復(fù)合材料，并研究其性能。結(jié)果表明碳納米管均勻分散在聚合物基體中，沒(méi)有明顯的損壞。復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量顯著提高。

1.3 原位復(fù)合法

將碳納米管分散在聚合物單體，加入引發(fā)劑，引發(fā)單體原位聚合生成高分子，得到聚合物/碳納米管復(fù)合材料。這種方法被認(rèn)為是提高碳納米管分散及加強(qiáng)其與聚合物基體相互作用的最行之有效的方法。Jia et al.[11]采用原位聚合法制備了PMMA/SWNT 復(fù)合材料。結(jié)果表明碳納米管與聚合物基體間存在強(qiáng)烈代寫(xiě)論文的黏結(jié)作用。這主要是因?yàn)?AIBN 在引發(fā)過(guò)程中打開(kāi)碳納米管的 π 鍵使之參與到 PMMA 的聚合反應(yīng)中。采用經(jīng)表面修飾的碳納米管制備 PMMA/碳納米管復(fù)合材料，不但可以提高碳納米管在聚合物基體中的分散比例，復(fù)合材料的機(jī)械力學(xué)性能也可得到巨大的提高。

2 聚合物/碳納米管復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀

2.1 聚合物/碳納米管結(jié)構(gòu)復(fù)合材料

碳納米管因其超乎尋常的強(qiáng)度和剛度而被認(rèn)為是制備新一代高性能結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的理想填料。近幾年，科研人員針對(duì)聚合物/碳納米管復(fù)合材料的機(jī)械力學(xué)性能展開(kāi)了多方面的研究，其中，最令人印象深刻的是隨著碳納米管的加入，復(fù)合材料的彈性模量、抗張強(qiáng)度及斷裂韌性的提高。

提高聚合物機(jī)械性能的主要問(wèn)題是它們?cè)诰酆衔锘w內(nèi)必須有良好的分散和分布，并增加它們與聚合物鏈的相互作用。通過(guò)優(yōu)化加工條件和碳納米管的表面化學(xué)性質(zhì)，少許的添加量已經(jīng)能夠使性能獲得顯著的提升。預(yù)計(jì)在定向結(jié)構(gòu)(如薄膜和纖維)中的效率最高，足以讓其軸向性能發(fā)揮到極致。在連續(xù)纖維中的添加量，單壁碳納米管已經(jīng)達(dá)到 60 %以上，而且測(cè)定出的韌度相當(dāng)突出。另外，，只添加了少量多壁或單壁納米管的工程纖維，其強(qiáng)度呈現(xiàn)出了較大的提升。普通纖維的直徑僅有幾微米，因此只能用納米尺度的添加劑來(lái)對(duì)其進(jìn)行增強(qiáng)。孫艷妮等[12]將碳納米管羧化處理后再與高密度聚乙烯(HDPE)復(fù)合，采用熔融共混法制備了碳納米管/高密度聚乙烯復(fù)合材料，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：碳納米管的加入，提高了復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度和拉伸模量，但同時(shí)卻降低了材料的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。Liu 等[13]采用熔融混合法制得了 MWNT/PA6(尼龍 6)復(fù)合材料，結(jié)果表明，CNTs 在 PA6基體中得到了非常均勻的分散，且 CNTs 和聚合物基體間有非常強(qiáng)的界面粘接作用，加入 2 wt%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的 MWNTs 時(shí)，PA6 的彈性模量和屈服強(qiáng)度分別提高了 214 %和 162 %。總之，碳納米管對(duì)復(fù)合材料的機(jī)械性能的影響，在很大程度上取決于其質(zhì)量分?jǐn)?shù)、分散狀況以及碳納米管與基質(zhì)之間的相互作用。其他因素，比如碳納米管在復(fù)合材料中的取向，纖維在片層中的取向，以及官能團(tuán)對(duì)碳納米管表面改性的不均勻性，也可能有助于改善復(fù)合材料的最終機(jī)械性能。

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