碳納米管纖維的組裝結構調控及其力學性能研究.pdf

1、碳納米管纖維是碳納米管的一維有序組裝結構，實現(xiàn)了碳納米管從微觀到宏觀的有效轉化。碳納米管具有優(yōu)異的力學和電學性能，而在組裝成纖維后這些性能并沒有得到良好的轉化，因此，研究人員一直在尋找可以提高碳納米管纖維力學和電學性能的有效方法。碳納米管纖維復合材料是碳納米管纖維未來應用的主要方向之一，在結構材料和功能材料方面都有重要的潛在應用，因此研究碳納米管纖維的動態(tài)力學性能及纖維與樹脂的界面性能也非常有意義。本文以碳納米管纖維為基礎材料，重點圍繞

2、其力學性能展開了一系列研究，首先采用低功率超聲振動、酸堿氧化、高溫碳化、石墨化的后處理方式對有捻的碳納米管纖維進行了后處理，然后針對碳納米管特有的組裝性能，對其宏觀一維組裝結構進行了取向化結構設計，進而研究了碳納米管纖維與樹脂的界面結合性能，不同組裝結構的碳納米管纖維的動態(tài)力學性能，并初步研究了碳納米管纖維復合材料的力學性能。本文的主要研究內容和結論如下：
　　1）后處理對碳納米管纖維力學和電學性能的影響。采用低功率超聲振動、酸堿

3、氧化、高溫碳化、石墨化等方式，對有捻的碳納米管纖維進行后處理，可以在一定程度上提高纖維的力學、電學、熱學性能。低功率超聲可以促使小分子進入碳納米管纖維內部形成更好的結合，將尺寸在1 nm左右的含有一個苯環(huán)的小分子通過超聲方式與碳納米管纖維結合可以提高纖維的力學性能；將尺寸為0.3-0.5 nm左右的氯金酸和氯鉑酸與碳納米管纖維結合，可以在維持纖維力學性能的同時，提高其電學性能；氧化處理對纖維的形貌和結構均有較大影響，酸氧化效果較好，堿處

4、理容易對纖維造成破壞，酸氧化對纖維的影響主要表現(xiàn)在降低纖維空隙、提高管間結合程度、增加表面官能團等三個方面，這三個方面直接影響到纖維的力學和電學性能，王水處理后纖維的導電性最好，硝酸處理后纖維的力學性能最好；高溫碳化和石墨化可以大大提高纖維的石墨化程度，尤其在2500 ℃處理后纖維的G/D比達到22.1，高溫處理后纖維的力學性能有所上升，同時也表現(xiàn)出較明顯的不均勻性，由于石墨化容易破壞碳管間無定型碳的原位連接，影響到電子傳輸，纖維的電學

5、性能下降，同時熱分解溫度提高和熱分解速率下降。
　　2）碳納米管纖維的取向化結構設計及力學性能研究。通過凹槽型集束和拉絲模集束的方式可以得到碳納米管的取向化結構，實現(xiàn)碳納米管沿纖維軸向的取向排列；纖維截面形狀和密度由集束口形狀和尺寸決定，取向結構的扁絲和無捻纖維力學性能優(yōu)于有捻纖維，由于在成型時已經(jīng)達到較高的密度，溶劑和集束壓力角對扁絲和無捻纖維的進一步致密化效果不明顯；將取向化的碳管與UHMWPE纖維復合，再經(jīng)過熱牽伸處理，得到

6、的纖維力學性能優(yōu)于UHMWPE纖維自身的力學性能，同時還賦予纖維一定的導電性。
　　3）碳納米管纖維的動態(tài)力學性能研究。根據(jù)碳納米管的特殊結構在原有Kelvin彈簧和黏壺理論的基礎上，引入了滑動摩擦?，并在此模型的基礎上進行了公式擬合，經(jīng)過數(shù)據(jù)換算得到了適用于碳納米管纖維損耗因子的計算公式，并通過實驗數(shù)據(jù)對其進行了初步驗證；設計了具有不同結構的碳納米管纖維，通過調整加捻程度、碳管的網(wǎng)絡程度、設計復合結構等方式得到了具有不同損耗因子

7、的碳納米管纖維，也就是說通過結構控制可以實現(xiàn)對損耗因子的調控；碳納米管纖維束隨著并股根數(shù)的增加，損耗因子呈上升趨勢，與碳纖維、棉紗、尼龍絲等纖維相比，體現(xiàn)出比較明顯的應用優(yōu)勢。
　　4）碳納米管纖維與樹脂的界面結合特性研究。以提高纖維與樹脂之間的界面剪切強度(IFSS)為出發(fā)點，采用微滴包埋的方法對碳納米管纖維和環(huán)氧樹脂的界面性能進行了研究。通過改變纖維表面結構、表面粗糙度、提高樹脂對纖維的浸潤性以及在纖維與樹脂之間引入中間層和“

8、分子橋”的方法，使碳納米管纖維與樹脂間的界面剪切強度得到了逐步提高；在纖維表面用硅烷偶聯(lián)劑做“分子橋”，既能與碳納米管纖維形成良好結合，又能與樹脂形成共價結合，使兩者的界面剪切強度從原本的45.4 MPa提高到64.4 MPa；進一步將提高界面剪切強度的方法應用于多股纖維，發(fā)現(xiàn)隨著并股數(shù)量的增加，有捻單根纖維的平均承載能力有下降趨勢，并合到100股時可以維持60％左右，而100根扁絲的并股后，單根纖維的承載能力基本可以維持單根纖維的承載

9、能力，甚至還有所提高，更進一步體現(xiàn)了扁絲的結構優(yōu)勢。
　　5）碳納米管纖維/環(huán)氧樹脂復合材料力學性能研究。碳納米管纖維復合結構中扁絲的扁平結構更有利于碳納米管與樹脂之間的結合，與有捻圓形纖維相比，扁絲/環(huán)氧復合結構中扁絲之間的相互作用更明顯，除了相鄰層間作用外，還有部分扁絲在多個層間進行穿插，使復合結構的層間作用得到增強；熱壓處理有利于進一步提高扁絲之間以及扁絲/樹脂之間的相互作用，扁絲/樹脂復合結構經(jīng)過熱壓處理后，表面平整光滑，