纳米碳管在复合材料中的应用

1、纳米碳管在复合材料中的应用摘 要：本文主要介绍什么是碳纳米管，碳纳米管在力学、光学、热学、电磁学 等方面的性能，碳纳米管与复合材料的结合与制备，以及碳纳米管的上述性能对复合 材料的应用领域的扩展所起到的决定性作用，最后介绍碳纳米管在复合材料中的发展 前景。关键词：碳纳米管；性能；复合材料；应用；发展前景Nano carbon tube application in composite materialsAbstract: This paper mainly introduces what is the carbon nanotubes, carbon nanotubes on mechanic

2、al, optical, thermal, electromagnetics, and other aspects of the properties, carbon nanotubes and composites with carbon nanotubes preparation, as well as the performance of the composite material application domain expansion to play the decisive role, finally introduce carbon nanotubes in composite

3、s development prospect.Key words: Carbon nanotubes;Performance;Composite materials;Application ； Development prospects引言纳米技术作为一项高新技术在复合材料中有着非常广阔的应用前景，对开发具有 特殊性能的复合材料有着重要的实际意义。尤其是纳米材料填充塑料体系表现出同时 增强、增韧的特性，为开拓聚合物复合材料的应用领域开辟了广阔的前景。开发纳米 复合材料并使之工业化应用，可以充分利用我国资源优势，也是改造传统聚合物工业 技术的最佳途径,具有巨大的市场潜力。我国纳米材料的研究已取得

4、许多成果,但纳米 技术在复合材料中的应用研究才刚刚起步，相信在不远的将来，纳米材料会进一步工 业化,并广泛应用于复合材料领域11碳纳米管1.1碳纳米管的定义碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸 为微米量级、管子两端基本上都封口）的一维量子材料。它主要由呈六边形排列的碳 原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，直径 一般为2-20nm。碳纳米管不总是笔直的，而是局部区域出现凸凹现象，这是由于在 六边形编织过程中出现了五边形和七边形。除六边形外，五边形和七边形在碳纳米 管中也扮演重要角色。1.2碳纳米管的结构碳纳米管是由单层或多层

5、石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、中空纳米管 （原子排列结构见图1）。图1 SWNTs原子排列结构示意图按照所含石墨片层数的不同，碳纳米管可以分成单壁碳纳米管（Singlewalled nanotubes，SWNTs）和多壁碳纳米管（Multiwalled nanotubes，MWNTs）。其中，SWNTs 由一层石墨片组成；MWNTs由多层石墨片组成，形状与同轴电缆相似。单壁碳纳米管 由单层石墨卷成柱状无缝管而形成，是结构完美的单分子材料；多壁碳纳米管可看作 由多个不同直径的单壁碳纳米管同轴套构而成。单壁碳纳米管根据六边环螺旋方向 （螺旋角）的不同可以是金属型碳纳米管，也可以是半导体型碳

6、纳米管，并可以用碳 纳米管的螺旋矢量参数（n，m）来表征。当n=m时，称为扶手椅型碳纳米管，是金属 型碳纳米管；当n=0或m=0时，称为锯齿型碳纳米管；当m和n为不相等的整数时， 称为螺旋型碳纳米管。锯齿型和螺旋型碳纳米管既可以是金属型碳纳米管，也可以是 半导体型碳纳米管。如果n-m=3k（k为非零整数），则为金属型碳纳米管，否则为 半导体型碳纳米管。1.3碳纳米管的性能碳纳米管因其小尺寸效应和独特的分子结构，具有优异的物理化学性能。一维分 子材料和六边形完美连接结构使碳纳米管具有质量轻、强度高的特点；较大长径比及 sp2、sp3杂化几率不同使碳纳米管具有优良的弹性；直径、螺旋角以及层间作用力

7、 等存在的差异使碳纳米管兼具导体和半导体的特性；独特的螺旋状分子结构使碳纳米 管构筑的吸波材料具有比一般吸收材料高得多的吸收率。因此，碳纳米管具有许多特 殊性能，尤其是在力学、热学、电磁学等方面的性质和大块固体时相比将会有显著 的不同。1.3.1力学性能由于碳纳米管中碳原子采取SP2杂化，相比SP3杂化，SP2杂化中S轨道成分比 较大，使碳纳米管具有高模量、高强度。碳纳米管具有良好的力学性能，碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔 韧性，可以拉伸。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似，但其结构却比高分 子材料稳定得多。碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。若将以其他工 程材料为

8、基体与碳纳米管制成复合材料，可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗 疲劳性及各向同性，给复合材料的性能带来极大的改善。1.3.2传热性能碳纳米管具有良好的传热性能，CNTs具有非常大的长径比，因而其沿着长度方 向的热交换性能很高，相对的其垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳 米管可以合成高各向异性的热传导材料。另外，碳纳米管有着较高的热导率，只要在 复合材料中掺杂微量的碳纳米管，该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善5 1.3.3导电性能碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域兀键，由于共轭效应显著，碳纳米 管具有一些特殊的电学性质。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。碳

9、 纳米管具有良好的导电性能，由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有 很好的电学性能。对于一个给定的纳米管，在某个方向上表现出金属性，是良好的导 体，否则表现为半导体。对于这个的方向，碳纳米管表现出良好的导电性，电导率通 常可达铜的1万倍。2复合材料2.1复合材料的定义复合材料(Composite materials)，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过 物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补 短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。 复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及 其

10、合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻 璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、品须、金属丝和硬质 细粒等2.2复合材料的分类复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与 非金属复合材料。按其结构特点又分为：纤维复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合 而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。夹层复合材料。由性质不同的表面材料 和芯材组合而成。通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。 分为实心夹层和蜂窝夹层两种。细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中，如 弥散强化合金、金属陶瓷等。混杂复合材料。

11、由两种或两种以上增强相材料混杂于 一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断 裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、 层内/层间混杂和超混杂复合材料。2.3复合材料的性能复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比 模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数 倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、 电绝缘等性能。石墨纤维与树脂复合可得到膨胀系数几乎等于零的材料。纤维增强材 料的另一个特点是各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维

12、的排列。以 碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500C时仍能保持足够的强度和模量。 碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机风扇叶片。碳 化硅纤维与陶瓷复合， 使用温度可达1500 C，比超合金涡轮叶片的使用温度 (1100C)高得多。碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨，构成耐烧 蚀材料，已用于航天器、火箭导弹和原子能反应堆中。非金属基复合材料由于密度小， 用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、节约能源。用碳纤维和玻璃纤维混合制成的 复合材料片弹簧，其刚度和承载能力与重量大5倍多的钢片弹簧相当。3碳纳米管在复合材料中的应用由于拥有潜在的优越性能，碳纳米管无

13、论在物理、化学还是在材料科学领域都将 有重大发展前景。比如在材料科学领域，碳纳米管具有极高的强度、韧性和弹性模量。 其弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量几乎相同，约为钢的5倍。其理论抗拉 强度为50-200GP，是钢的100倍，而密度仅为钢的1/6。碳纳米管无论强度还是韧性， 都远远优于任何纤维材料，被称为“超级纤维”，其性质随直径和螺旋角的不同有明 显变化，因而成为一个极具诱惑力的科学研究对象。碳纳米管的性能优于当前的任何纤维，它既具有碳纤维的固有性质，又具有金属 材料的导电导热性，陶瓷材料的耐热耐蚀性，纺织纤维的柔软可编性，以及高分子材 料的轻度易加工性，是一种一材多能和一材多用的功

14、能材料和结构材料，与高分子材 料复合时，会形成完整的结合界面，得到性能优异的复合材料，表现出极好的强度、 弹性、抗疲劳性、抗静电性、吸收微波性等优异性能。碳纳米管复合材料的优异性能 可使其广泛应用于塑料、电磁屏蔽材料、合成纤维等诸多行业。以下是从几个方面介 绍碳纳米管在复合材料领域内的应用：3.1碳纳米管的力学性能在复合材料中的应用力学性能将酸化处理以后的碳纳米管与高密度聚乙烯（HDPE）复合，采用机械共 混法制备定向碳纳米管/HDPE复合材料，碳纳米管的加入，提高了复合材料的屈服 强度和拉伸模量，但同时却降低了材料的断裂强度和断裂伸长率。利用碳纳米管对酚 醛树脂（PF）进行改性，CNTs能够

15、明显提高PF/CF复合材料弯曲强度、压缩强度、 层间剪切强度和冲击强度。3.2碳纳米管的导电性能在复合材料中的应用导电性、导热性碳纳米管具有优于铜的导电性，可以取代金属填料用来制备有机 复合导电材料。因为碳纳米管与有机物的相容性优于金属，故材料的性能更加稳定， 而且质量更轻，同时碳纳米管高达1000的长径比可以极大地降低复合材料的渗滤阈 值，这是其它填料无法达到的，可用作抗电材料。加入碳纳米管可使复合材料的热稳 定性大幅度提高。3.3碳纳米管的电磁性能在复合材料中的应用碳纳米管具有较强的宽带微波吸收性能、重量轻、导电性可调变、高温抗氧化性 能强和稳定性好等优点，因而它是一种有前途的理想微波吸收

16、剂，可用于隐形材料、 电磁屏蔽材料或暗室吸波材料10。由于碳纳米管的纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波 波长，所以纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，大大减少了波的反 射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用。 另外，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3-4个数量级，对红外光和电磁波的吸 收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降 低，因此很难发现被探测目标11，起到了隐身作用，可用于隐形飞机等电子武器装备。另外，碳纳米管经化学修饰后与聚合物共混纺制的纳米管复合纤维不仅具有导电 性和抗静电性，而且其强度和模量远高于现有的合成

17、纤维，可应用于刀枪不入的防弹 背心和装甲Mo利用碳纳米管的性质还可以制作出很多性能优异的复合材料。例如摩擦学性 能以碳纳米管为填料制备聚四氟乙烯（PTFE）基复合材料，CNTs / PTFE复合材料的 摩擦系数随着碳纳米管含量的增加呈降低的趋势，其耐磨性能明显优于纯PTFE，以 碳纳米管作为填料可有效地抑制PTFE的磨损13。抗静电性能采用共混纺丝的方法将 碳纳米管加入到丙纶中，并且通过测量其摩擦静电荷量来研究其抗静电性能的变化。 结果表明：单独添加少量碳纳米管难以提高聚丙烯（PP）纤维的抗静电性能；而添加 含有碳纳米管的复合抗静电剂，可以有效地提高PP纤维的抗静电性能。用碳纳米管 材料增强的

18、塑料力学性能优良、导电性好、耐腐蚀、屏蔽无线电波us使用水 泥做基体的碳纳米管复合材料耐冲击性好、防静电、耐磨损、稳定性高，不易 对环境造成影响。碳纳米管增强陶瓷复合材料强度高，抗冲击性能好15。碳纳 米管上由于存在五元环的缺陷，增强了反应活性，在高温和其他物质存在的条 件下，碳纳米管容易在端面处打开，形成一个管子，极易被金属浸润、和金属 形成金属基复合材料。这样的材料强度高、模量高、耐高温、热膨胀系数小、 抵抗热变性能强16。4国内外最新研究现状及展望由于碳纳米管的纳米级尺寸，中空管状和极高的杨氏模量，它被认为是晶须类强 化相的终极形式Zhou等首先报导了在没有金属催化剂的条件下，于1700

19、 C把碳纳 米管与SiO2反应，黑色的碳纳米管转变为略呈绿色的SiC晶须。Wagner等人研究了 高聚物基体中加入的碳纳米管在拉应力条件下产生裂纹的情况，并与普通碳纤维进行 了对比研究，结果证明碳纳米管和基体间应力传递效果至少比普通碳纤维高一个数量 级，说明碳纳米管和基体间有着良好的界面。Kuzumaki等人将碳纳米管与C60的复 合材料封装于银套中17，在室温下进行拔长加工后，对其进行了结构检测和拉伸实验， 结果碳纳米管沿着复合棒的长度方向平行分布，测得的应力一应变曲线表明其断裂应 力比纯C60样提高了 20多倍。Peigney等人采用a-Al2-2XFe2XO3固溶体在H2/CH4 气氛中

20、还原的同时裂解生长碳纳米管。然后在真空条件下1475 C热压，得到碳纳米 管强化的Fe-Al2O3陶瓷基复合材料。在该材料中碳纳米管分布在FeAl2O3晶界处 形成网状，对其进行断裂检测发现断裂发生于品内，其断裂强度明显高于纯Al2O3, 但低于相应的Fe-Al2O3,他们认为这可能是由于残余孔洞和石墨的存在造成的。近 来，Kuzumaki等人采用热压的方法制备了碳纳米管强化的纯铝基复合材料并继续进 行热拔，加工成直径为7 mm的丝18。对该材料的检测结果表明，和普通碳纤维、铝 界面不同，碳纳米管、铝界面之间并未发生化学反应生成Al4C3,碳纳米管沿着丝的 长度方向平行分布，并且这种复合材料比

21、纯铝具有更好的高温力学性能。将碳纳米管 加入功能材料中，有可能改善材料的性能指标。Ebbesen等将碳纳米管加入高温超 导材料Bi2212中制成复合材料，发现比未加碳纳米管的基体材料具有更好的超导性 能。由于碳纳米管被公认为晶须类强化相的终极形式，所以在复合材料中作为强化相 是它最有价值的工程应用之一如。但是因为碳纳米管的批量制备、基体的选择、复合 工艺等技术问题，目前还停留在探索阶段。结论由于碳纳米管被公认为晶须类强化相的终极形式，所以在复合材料中作为强化相 是它最有价值的工程应用之一。但是因为碳纳米管的批量制备、基体的选择、复合工 艺等技术问题，目前还停留在探索阶段。本文选择碳纳米管作为复

22、合材料基体，制备 碳纳米管纳米复合材料，以此研究碳纳米管在复合材料中的存在形态和组织以及复合 材料的力学性能，导电性能和电磁学性能。探索碳纳米管在复合材料方面的潜在前景。 参考文献蒋卫国等.碳纳米管的性能及应用.化工新型材料,2007,35(7):2728.周庆祥等.碳纳米管应用研究进展.化工进展,2006,25(7):751753.聂海瑜.碳纳米管的应用研究进展.化学工业与工程技术,2004,25(5):3437.孙晓刚.碳纳米管应用研究进展.微纳电子技术,2004： 2023.姜靖雯，彭峰.碳纳米管的应用现状与进展J.材料科学与工程学报,2003,21 (3):465467.潘晖等.碳纳米管应用研究.微纳电子技术2009:1417.顾书英等.碳纳米管应用研究的现状和未来J.同济大学学报,2002,30(2):213217.陈敬中，刘剑洪.纳米科学导论M.北京:高等教育出版社.2006:540552.沈曾民.新型碳材料M.北京:化学工业出版社.2003:200218.G.B.Adams，O.F.Sankey， J.B.Page,et alJ. Science， 1992,256:1792.Journet C. Maser W K，Bernier Pet al Large scale produced of single walled.carbon na