第一情报 ---材料工业

碳纳米管在复合材料中的应用研究进展

供稿人:卞志昕  供稿时间:2013-3-29   关键字:碳纳米管  复合材料  

如今生产的碳纳米管(CNT)可大量用于制造复合材料和薄膜,这些产品依赖的是性能有限的CNT无序体系结构。

利用高纵横比形成的浓度低至0.01wt% 渗流网络的特点,多壁碳纳米管(MWNT)首先被用作在塑料中的导电填料。无规的MWNT聚合物复合材料的电导在10wt%负荷时高达10000Sm-1。在汽车工业中,导电的CNT塑料可以静电辅助喷涂镜面车壳,以及去静电荷的燃油管线和过滤器。其他的产品有电磁干扰屏蔽包和微电子工业的承载盘。

在荷载应用方面,CNT粉末和聚合物或母体树脂混合可以增加刚度,强度和韧性。将~1wt%的MWNT加入到环氧树脂中可以提高刚度和开裂韧度各6% 和23%,而不降低其他的机械性能。性能的提高取决于CNT的直径,纵横比,对准趋向度,分散度和与基体的界面作用。许多CNT制造商出售预混树脂及CNT含量从0.1--20wt%的母料。此外,CNT和CNT-聚合物间的工程性纳米尺度的粘滑运动增加了材料的阻尼,该性能可以提高体育用品的性能,如网球拍,垒球棒以及自行车的车架。

CNT树脂也用于提增纤维复合材料的性能。最近的例子有,坚固轻巧的风力涡轮机的叶片和海事安全船的船体均用CNT增强树脂的碳纤维复合材料。在有机母体中CNT也用作添加剂生成碳纤维。CNT影响热解纤维中碳的排列从而生成1μm直径的碳纤维,与未使用CNT的对照试样比较,在强度(4.5 GPa)和刚度(463GPa) 上都增加35% 以上。

针对较大尺度上组排CNT的挑战,创造出等级体系纤维复合材料,即将对准趋向的CNT管簇植在玻璃,SiC,氧化铝及碳纤维上,生成所谓的“绒毛”纤维。绒毛CNT-SiC 织物用环氧浸渍后其裂口(模式I)韧度和面内剪切层间(模式II)韧度各增加了348%和54%(和对照试样比较)。而CNT-氧化铝织物模式II的韧度增加了69%。正在研究中的多重功能性的应用包括飞机的雷击保护,除冰和机体结构完好性监察。

从长远的观点看,用直接CVD法,碳管簇纺丝法或伸延法制备的CNT碳丝束及多层碳薄片将会与用于高端的碳纤维展开竞争,特别在应用方面要求重量灵敏性且具有电性和机械性的功能。有报导,用高质量少壁CNT制备的碳丝束,刚度达到357GPa,强度8.8GPa。这仅是标准测量长度的指标,相当于碳丝束中1毫米长的CNT。厘米测量长度显示的强度是2GPa,相应的重量性强度和市场销售的Kevlar(杜邦)相等。

因为危害性缺陷的几率随着体积的增大而增大,所以宏观尺寸的CNT碳丝束的强度从未达到CNT组分的强度。然后,CNT的高表面积却提供了界面间的联接从而减低这些不足之处。而且和碳纤维不同,CNT碳丝束可以打结但不降低其强度。另外,由碳管簇制备得到的薄片在插入扭转前涂上功能性粉末,可制得含有高达95%粉末的碳丝束,可以织造,编织,缝纫。所具有这些的性能在超导导线,电池和燃料电池的电极以及自清除织物方面得到了展示。

高性能的定向单壁碳纳米管(SWNT)纤维的制备,可以用CNT悬浮液凝固纺丝的方法。如果高质量SWNT的成本大幅度的下降或这种纺丝工艺可以用上低成本的MWNT,那么该过程的放大就会有吸引力。 成千的喷丝器平行操作,通过液晶的形成使CNT定向,就像Kevlar的纺丝。

除了聚合物的复合材料,将少量的CNT加入金属后会增强抗张强度及其模数,该材料可用于航空航天和汽车的架结构上。市场有售的Al-MWNT复合材料所具有的强度可与不锈钢相当(0.7--1GPa)而密度是其三分之一(2.6g cm-1)。这强度也和Al-Li合金相当但Al-MWNT复合 材料的价格据报导更低。

最后,MWNT作为阻燃剂可以添加在朔料中。这一效应主要归因于纳米管添加后引起的流变学的变化。纳米管添加剂在市场上有吸引力可以替代因受环境条例限制的卤素型阻燃剂。

参考文献:

Michael F. L. De Volder,Sameh H. Tawfick,Ray H. Baughman,A. John Hart. Carbon Nanotubes: Present and Future Commercial Applications[J].SCIENCE,2013,339(6119): 535-539.

 


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