纳米碳管在复合材料中的应用

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 materials

Abstract：This paper mainly introduces what is the carbon nanotubes, carbon nanotubes on mechanical, 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 composites 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[1]。

1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

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六边形编织过程中出现了五边形和七边形[2]。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(Single—walled nanotubes，SWNTs)和多壁碳纳米管(Multi—walled 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[3]，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[4]，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

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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π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、晶须、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。

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按其结构特点又分为：①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。②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。③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。④混杂复合材料。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[7]。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的排列。以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500℃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℃，比超合金涡轮叶片的使用温度（1100℃）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[8]，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

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料的轻度易加工性，是一种一材多能和一材多用的功能材料和结构材料，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[9]。

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l000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剂，可用于隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料。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

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，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纤维，可应用于刀枪不入的防弹背心和装甲[12]。

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

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jg4v.html