優(yōu)質(zhì)碳納米管的制備及其定向排列的SWNTs-PMMA復合材料研究.pdf

1、碳納米管(CNTs)具有卓越的性能，應用領域十分廣泛。制備結構完整、管徑均勻、準直的優(yōu)質(zhì)碳納米管，有效去除碳納米管中的雜質(zhì)獲得高純的碳納米管，是發(fā)揮碳納米管良好的特性以及進一步應用研究的基礎和前提，是研究領域的熱點問題。碳納米管在聚合物中的定向排列一直也是國內(nèi)外研究的難點。 本文采用自主研制組裝的“陽極弧等離子體法制備碳納米管的實驗裝置”，通過陽極弧等離子體蒸發(fā)內(nèi)含催化劑(Fe、Co、Ni)的石墨棒合成了結構完整、純度高、準直、

2、管徑均勻的優(yōu)質(zhì)單壁碳納米管及管束，并討論了催化劑配比參數(shù)，填充緩沖氣體種類、氣壓大小，弧電流強度等因素對制備優(yōu)質(zhì)單壁碳納米管的影響，得出了制備優(yōu)質(zhì)單壁碳納米管的最佳條件：氦氣壓為6.0×104pa，陽極電弧電流為70A，電壓是24 V，弧間距是1.0～2.0mm，催化劑質(zhì)量比為W(Fe)：W(Co)：W(Ni)=1：1：1，以及良好的冷卻條件。 對陽極電弧法制備的含單壁碳納米管的不同粗產(chǎn)物，選擇不同的酸氧化劑分別進行了純化。利用

3、透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)對提純后的碳納米管及管束進行了形貌觀察，利用拉曼(Raman)光譜分析和熱重(TG)分析對碳納米管進行了表征，結果表明實驗產(chǎn)物是結構缺陷少、純度高、準直、管徑均勻的優(yōu)質(zhì)單壁碳納米管及管束。 采用反復機械拉伸的方法制備了單壁碳納米管(SWNTs)定向排列的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)復合材料。通過TEM和SEM發(fā)現(xiàn)SWNTs在復合材料中沿拉伸方向定向排列并均勻分散，利用偏振Rama

4、n光譜在宏觀上進一步證明了SWNTs在PMMA中的定向排列。研究了碳納米管在電場、磁場和層流場中定向排列的機理，反復拉伸法制備的SWNTs／PMMA復合材料屬于碳納米管在層流場中的定向排列，與實驗取得了很好的吻合。 系統(tǒng)實驗研究了SWNTs／PMMA復合材料的力學性能、電學性能和熱穩(wěn)定性。表明SWNTs／PMMA復合材料的力學性能和電學性能得到了很大提高，且表現(xiàn)出明顯的各向異性。隨著SWNTs質(zhì)量含量的增加(從0.5％到8％)，

5、復合材料的彈性模量、拉伸強度以及延伸率得到了很大提高。當SWNTs質(zhì)量含量為8％時，復合材料的彈性模量沿拉伸方向提高了210.3％，拉伸強度沿拉伸方向提高了209.0％，延伸率沿拉伸方向提高了301.7％；復合材料的電學性能也得到了提高，也表現(xiàn)出各向異性，當SWNTs質(zhì)量分數(shù)從0.5％增加到1％時，沿拉伸方向復合材料的體電導率從10-8 S／cm增加到3×10-6 S／cm，當SWNTs質(zhì)量分數(shù)為1％時，其平行于碳納米管方向上的電導率比