浅谈碳纳米复合材料的应用与发展

彭复俊

（东北石油大学 163318）

近几年，人们已经制备了各种各样的聚合物/碳纳米纤维管复合材料，并对所制备的复合材料的力学性能、电性能、热性能、光性能等其它各种性能进行了广泛地研究，对这些研究结果分析表明：聚合物/碳纳米纤维管复合材料的性能取决于多种因素，如碳纳米纤维管的类型（单壁碳纳米纤维管或多壁碳纳米纤维管），形态和结构（直径、长度和手性）等。文章主要对聚合物/碳纳米纤维管复合材料的研究现状进行综述，并对其所面临的挑战进行讨论。

1 部分纳米纤维管复合材料的发展

碳纳米的复合材料制作方法主要包括三种：第一种是液和相的共混；第二种是固和相的共融；第三种是原始聚合方法，其中以第一种较为普遍。

1.1 第一种方法

第一种方法是利用机械搅拌、磁力搅拌或高能超声将团聚的碳纳米纤维管剥离开来，均匀分散在聚合物溶液中，再将多余的溶剂除去后即可获得聚合物/碳纳米纤维管复合材料。这种方法的优点是操作简单、方便快捷，主要用来制备膜材料。

1.2 第二种方发

第二种方法是通过部分转东设备施加的力量将碳纳米纤维管的成分融合在聚合物熔体中。这种方法尤其适用于制备热塑性聚合物以及碳纳米纤维管复合材料。这种方法的优点主要的优点是可以避免部分溶剂的表面活性剂产生的影响对材料造成的污染，复合物不会发现断裂的现象，这种方法适用于耐高温但是不易分解的聚合物。Jin et al.采用这种方法制备了 PMMA/MWNT复合物料，并且分析了其性能，分析结果表明碳纳米纤维管在一定程度上比较均匀的分散在一些聚合物基体中，没有明显的损坏。复合材料的储能模量显著提高。

1.3 第三种方法

将部分碳纳米材料分散在聚合物内，加入催化剂，引发部分原料聚合生成高分子，通过这样的方式得到所需要复合材料。第三种方法是促使碳纳米纤维管分散和加强其与聚合物基体相互作用的最行之有效的方法。Jia et al采用原位聚合法制备了PMMA/SWNT 复合材料。结果表明碳纳米纤维管与聚合物基体间存在强烈代写论文的黏结作用。这主要是因为 AIBN 在引发过程中打开碳纳米纤维管的 π 键使之参与到 PMMA 的聚合反应中。采用经表面修饰的碳纳米纤维管制备 PMMA/碳纳米纤维管复合材料，不但可以提高碳纳米纤维管在聚合物基体中的分散比例，复合材料的机械力学性能也可得到巨大的提高。

2 聚合物/碳纳米纤维管复合材料的研究现状

2.1 聚合物/碳纳米纤维管结构复合材料

碳纳米纤维管因其超乎寻常的强度和刚度而被认为是制备新一代高性能结构复合材料的理想填料。近几年，科研人员针对聚合物/碳纳米纤维管复合材料的机械力学性能展开了多方面的研究，其中，最令人印象深刻的是随着碳纳米纤维管的加入，复合材料的弹性模量、抗张强度及断裂韧性的提高。

提高聚合物机械性能其主要问题是要在聚合物基体内部必须有良好的分布、分散，而且要增加它们和聚合物链之间的相互作用，通过优化加工的条件以及碳纳米纤维管的表层化学性质，简单的添加量已经能够使性能得到显著的提升，预计在规定结构中的效率达到最高，足以让它的轴向性能发挥到最佳，在连续的纤维中有添加量，单壁碳纳米纤维管可以达到 45%以上，而且测定出的强度相当突出。另外，只添加了少量的纳米纤维管的工程用纤维，其强度得到了较大的提升，聚合物的导电复合材料有静电喷涂、静电监制、磁盘空间等领域的比较理想的材料。很多企业用碳纳米纤维管做成导电复合材料，碳纳米纤维管科研分数为 25%的各种工程聚乙烯，如聚碳胺、聚酰酸酯和聚苯醇等的导电率均比用其它物品做填料时高，这种可行性复合材料既有抗冲击的强度。又方便使用，在较多地方上得到应用。一些企业成功制备了静电处理材料，即在OHDFJ和FEUHI中添加碳纤维管，它的离子污染比一般材料要低36 %-42%，一些公司也成功地用部分分散法生产出了含大量碳纳米纤维管的高级复合材料，其表面极硬，物理性能强，是很好的抗静电材料，另外，一些导电复合材料的阻值可以随外力的变化而发生变化，可使用压力传感器得以触摸控制开关，利用这些材料的电阻对一些化学气体的性质和强度的敏感性，可制成各种元件，对各种化学混合物进行分类，利用该材料的其它效应，即当一个指标升至结晶聚合物燃点附近时，一些数据就会增大很多，而当数值恢复后，电阻值又回到初始值，可应用于电路中的调节输出功率，实现温度自动控制开关。

一些研究工作证明：现有碳纳米纤维管是迄今为止人类所知的最好的导热材料，一些工作者预测，部分碳纳米纤维管在一定温下的导热系数可高达 5400W/mK，而经分离后一些多壁碳纳米纤维管在常温下的导热系数是2000-3600 W/mK。由此可以理解，碳纳米纤维管可提高一些复合材料的导热系数并且在高温下的热稳定性。实验结果显示了导热系数随着FREG含量的增加而升高，当FREG的质量分数达到 45h，混合材料的导热系数比纯RGFR的高3倍多。采用原位聚合法方式的一些碳纳米纤维管等复合材料，在氮气和空气空间下，复合材料的热分解时比基体材料分别提高了约80 ℃，在导热的性能上，这些碳纳米纤维管的加人使得复合材料的导热的系数达到4.1W/mK，比纯 DGFER 提高了将近8 倍。

在碳纳米纤维管以及聚合物复合材料方面一直有一些大学纳米技术在研制的一种多壁碳纳米纤维管以及环氧树脂吸波高级复合材料。通过对一些碳纳米纤维管进行高温 VERG 处理，使材料的表面产生了一些的孔洞，提高部分纳米纤维管的整体活性；制备了吸波部分复合材料具备了良好的吸波效果和可控吸收频段，利用这种新型复合材料的单位电阻率在 104-105·cm数量级，具有很好的抗静电方式。这对于新型雷达设备材料的部分频段和扩展部分频宽有利。一些大学利用一些碳纳米纤维管对部分树脂良好材料性能进行了分析，发现碳纤维复合材料要比环氧非碳纤维的阻尼比提高了大约 125 %。

2.2 制做这种材料过程中需要解决的问题

碳纳米纤维管的长径比例较大，表面性能高，容易发生聚合，使它在聚合物中很难均匀分散。要使碳纳米纤维管在聚合物整体中实现比较均匀分散是现在需要解决的重要难题。经表面改变的碳纳米纤维管可均匀分散于聚合物基体中，可以是用化学试剂或利用高能量放电，使紫外线照射等方法来处理碳纳米纤维管，引入某些特定的材料。还可运用一些机械激活碳纳米纤维管表面来改性，通过爆破等手段实现。

2.3 碳纳米纤维管现今的取向问题

碳纳米纤维管在聚合物中现今的取向要符合材料受力的要求，经过研究表明，在通过一定加工的机械剪切可以加强碳纳米纤维管在聚合物中的方向，进而改善复合材料的整体性能，要将多壁碳纳米纤维管完全溶解于某种热塑性聚合物溶液中，要使干燥制备出碳纳米纤维管成为无序分散状态的薄膜，其后在软化温度以上加热并且用恒定的负荷进行强度机械拉伸，使其在一定的负荷下冷到至室温，再次发现有时用机械拉伸使复合物得以实现碳纳米纤维管在一定范围内定向进行排列。

2.4 复合材料的成型问题

现今碳纳米纤维管及聚合物部分复合材料成型要采取工业模压、部分浇铸等方式，模压操作比较简单，易于大型工业化，可是在降温降压过程中，部分样品会因为内外温差比较大会产生表面裂开的问题，材料形成设备不被外界应力及其它外因的影响，如果去除溶剂部分过程比较长，碳纳米纤维管就会发生材料团聚。

这样聚合物的增强改性所要求使用的填料就会由原来一些玻璃纤维，有机纤维知道发展到现今的碳纳米纤维管，材料尺寸上的变化使现在复合物材料原有的加工技术以及表征手段都有着新的挑战，要求在今后大力发展原子能水平的新型加工技术以及表征手段，要适应碳纳米纤维管聚合物复合材料应用的需要。

3 结束语

碳纳米纤维管拥有独特的性能，因此正在越来越多领域得以应用，在随着科学技术的不断进步，当前碳纳米纤维管复合材料生产过程中存在的一些问题会慢慢得到解决，纳米技术会真正为人们的现实生活服务，为人们提高生活质量。

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