基于分形理論的碳納米管分散狀態(tài)評價(jià)方法研究.pdf

1、碳納米管分散狀態(tài)是影響復(fù)合材料性能的關(guān)鍵因素。目前，碳納米管分散狀態(tài)的表征方法眾多，但由于各種表征方法都存在一定的局限性，使得對于碳納米管分散狀態(tài)的評價(jià)缺乏統(tǒng)一性，制約了復(fù)合材料強(qiáng)化機(jī)制的研究，并進(jìn)一步影響宏觀性能的提升。因此，如何檢測和評價(jià)分散體系中碳納米管的分散狀態(tài)，并建立碳納米管分散狀態(tài)與復(fù)合材料宏觀性能的構(gòu)效關(guān)系，成為復(fù)合材料制備和應(yīng)用領(lǐng)域的重中之重。針對上述問題，本文通過對碳納米管濃度、分散方法、分散參數(shù)的調(diào)控，獲取了大量不同

2、分散狀態(tài)樣品；用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡對碳納米管分散狀態(tài)在不同尺度下的觀測，基于分形理論對不同尺度下碳納米管分散狀態(tài)進(jìn)行了計(jì)算，建立了碳納米管分散狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)方法；以分形維數(shù)為“橋梁”，建立分散狀態(tài)與復(fù)合材料宏觀性能的構(gòu)效關(guān)系，并探討了分形維數(shù)對預(yù)測復(fù)合物宏觀性能的普適性。主要開展如下工作：
　　(1)采用超聲法，通過調(diào)整分散參數(shù)，制備了碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1wt％、0.5wt%的去離子水分散液，通過光學(xué)顯微

3、鏡(Optical microscopy)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、紫外-可見光光譜(UV-VIS)、流變儀對分散液中碳納米管分散狀態(tài)進(jìn)行了系統(tǒng)的表征，通過測試碳納米管/聚乙烯醇薄膜的電學(xué)、力學(xué)、熱機(jī)械性能，探討了不同表征方法對評價(jià)碳納米管分散狀態(tài)的適用性。
　　(2)針對目前碳納米管分散狀態(tài)表征過程中標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的問題，提出了基于分形理論定量表征碳納米管分散狀態(tài)的方法。通過調(diào)節(jié)碳納米管濃度(0.1wt-

4、0.5wt%)、分散方法(超聲破碎、球磨法)、分散時(shí)間(30min、60min、90min、120min)，得到了具有不同碳納米管分散狀態(tài)的分散液，運(yùn)用盒子法計(jì)算了基于碳納米管分散液光學(xué)圖像、掃描電鏡圖像、透射電鏡圖像的分形維數(shù)，并發(fā)現(xiàn)，分形維數(shù)能夠定量的表征碳納米管在分散體系中的分散狀態(tài)。當(dāng)用盒子法計(jì)算基于分散液數(shù)字圖像的分形維數(shù)時(shí)，存在適用的尺度范圍，數(shù)字圖像中最小網(wǎng)格所代表的尺寸應(yīng)該小于碳納米管的直徑，大于碳納米管之間的間距。利用

5、光學(xué)圖像計(jì)算時(shí)，其最小網(wǎng)格所代表的尺寸不在界定的尺度范圍內(nèi)，分形維數(shù)不能反映碳納米管的真實(shí)分散狀態(tài)。利用掃描電鏡圖像、透射電鏡圖像計(jì)算時(shí)，其最小的網(wǎng)格數(shù)處在界定的尺寸范圍內(nèi)，此時(shí)分形維數(shù)能夠反映碳納米管的真實(shí)分散狀態(tài)，分形維數(shù)逐漸增加的過程中，碳納米管的分散狀態(tài)越來越均勻。
　　(3)數(shù)字圖像中最小網(wǎng)格所代表的尺寸在界定的尺度范圍之外時(shí)，分形維數(shù)與聚乙烯醇的電導(dǎo)率、拉伸強(qiáng)度沒有明顯的擬合關(guān)系。數(shù)字圖像所代表的網(wǎng)格尺寸在界定的尺度范