碳纖維表面生長(zhǎng)碳納米管及其結(jié)構(gòu)性能研究.pdf

1、碳纖維和碳納米管(CNT)都是復(fù)合材料有效的增強(qiáng)體，將兩者有效的結(jié)合，改善纖維與基體的界面性能，形成復(fù)合增強(qiáng)體，從而充分發(fā)揮碳纖維性能，同時(shí)可利用CNT的優(yōu)異力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)等特殊性能。然而，較高長(zhǎng)徑比的納米碳管具有很高的表面能，在基體中非常容易發(fā)生纏結(jié)、團(tuán)聚，分散性較差;目前的在碳纖維表面生長(zhǎng)碳納米管的制備方法，雖然能解決CNT團(tuán)聚等弊端，但是存在碳納米管與纖維表面的結(jié)合力較弱，容易從碳纖維表面脫落的問(wèn)題，實(shí)際應(yīng)用效果不理想，這些嚴(yán)重

2、阻礙了它們?cè)趶?fù)合材料領(lǐng)域中的應(yīng)用。本文結(jié)合已有的利用固相碳源制備碳納米管的基礎(chǔ)，對(duì)碳纖維表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，在助催化劑噻吩和水汽的作用下，在碳纖維表面牢固垂直生長(zhǎng)碳納米管成為一條可行的途徑。
　　通過(guò)強(qiáng)酸處理碳纖維表面，纖維表面負(fù)載催化劑，在助催化劑噻吩和水汽的作用下，在一定溫度下在碳纖維表面牢固生長(zhǎng)碳納米管，借助SEM、TEM、XRD、Raman、FT-IR等測(cè)試手段研究碳纖維和碳管的形貌結(jié)構(gòu)，觀測(cè)纖維表面生長(zhǎng)的碳納米管直徑為2

3、0～150nm，長(zhǎng)度可達(dá)幾微米。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)控制變量，較為系統(tǒng)地研究了酸處理、催化劑、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間以及水汽和噻吩通入量等因素對(duì)碳纖維表面牢固生長(zhǎng)碳納米管的影響，從而獲得最佳實(shí)驗(yàn)條件:碳纖維酸處理時(shí)間為1～2h，催化劑濃度為1～1.5mol/L，反應(yīng)溫度為850℃，反應(yīng)保溫時(shí)間2～3h，氮?dú)饨?jīng)過(guò)噻吩的流量為40～60ml/min，經(jīng)過(guò)水的流量為100～120ml/L，最終在碳纖維生長(zhǎng)出致密的、形貌較好的碳管。
　　根據(jù)所得的實(shí)驗(yàn)

4、結(jié)果，推測(cè)出本實(shí)驗(yàn)碳纖維表面生長(zhǎng)碳納米管機(jī)理，主要過(guò)程:首先混酸處理后的碳纖維表面帶入大量含氧官能團(tuán)以及大量活性高的碳原子，負(fù)載上催化劑。在反應(yīng)升溫的過(guò)程中通催化劑被還原。隨著溫度升高，催化劑吸附硫原子降低熔點(diǎn)，形成熔融狀態(tài)，同時(shí)刻蝕纖維不斷滲入纖維表層，吸收溶解纖維表面活性較高的碳原子，以及其他的碳源，最終形成過(guò)飽和的碳-金屬熔融顆粒，在其表面析出按石墨層排列的碳原子，生長(zhǎng)成碳納米管。
　　本實(shí)驗(yàn)制備的CNT/CF單絲拉伸強(qiáng)度為

5、2.4～2.7GPa，保持原始纖維的67％～73％，電阻率約5.7×10-3～7.3×10-3Ω·cm，為原始碳纖維的2.75～3.5倍，且碳管越長(zhǎng)，電阻率減小。石墨化后的長(zhǎng)管碳纖維電阻率大幅度降低，約為原始碳纖維的50％。連續(xù)化生長(zhǎng)碳納米管的碳纖維的單絲拉伸強(qiáng)度比原始碳纖維只降低14.6％，電阻率只增加了11.5％左右。長(zhǎng)管碳纖維能夠有效提高其樹(shù)脂基復(fù)合材料(CFRP)的性能，其層間剪切強(qiáng)度提高10.15％，而層間電阻率只有原始碳纖維