彭復(fù)俊

（東北石油大學(xué) 163318）

近幾年，人們已經(jīng)制備了各種各樣的聚合物/碳納米纖維管復(fù)合材料，并對所制備的復(fù)合材料的力學(xué)性能、電性能、熱性能、光性能等其它各種性能進行了廣泛地研究，對這些研究結(jié)果分析表明：聚合物/碳納米纖維管復(fù)合材料的性能取決于多種因素，如碳納米纖維管的類型（單壁碳納米纖維管或多壁碳納米纖維管），形態(tài)和結(jié)構(gòu)（直徑、長度和手性）等。文章主要對聚合物/碳納米纖維管復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀進行綜述，并對其所面臨的挑戰(zhàn)進行討論。

1 部分納米纖維管復(fù)合材料的發(fā)展

碳納米的復(fù)合材料制作方法主要包括三種：第一種是液和相的共混；第二種是固和相的共融；第三種是原始聚合方法，其中以第一種較為普遍。

1.1 第一種方法

第一種方法是利用機械攪拌、磁力攪拌或高能超聲將團聚的碳納米纖維管剝離開來，均勻分散在聚合物溶液中，再將多余的溶劑除去后即可獲得聚合物/碳納米纖維管復(fù)合材料。這種方法的優(yōu)點是操作簡單、方便快捷，主要用來制備膜材料。

1.2 第二種方發(fā)

第二種方法是通過部分轉(zhuǎn)東設(shè)備施加的力量將碳納米纖維管的成分融合在聚合物熔體中。這種方法尤其適用于制備熱塑性聚合物以及碳納米纖維管復(fù)合材料。這種方法的優(yōu)點主要的優(yōu)點是可以避免部分溶劑的表面活性劑產(chǎn)生的影響對材料造成的污染，復(fù)合物不會發(fā)現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象，這種方法適用于耐高溫但是不易分解的聚合物。Jin et al.采用這種方法制備了 PMMA/MWNT復(fù)合物料，并且分析了其性能，分析結(jié)果表明碳納米纖維管在一定程度上比較均勻的分散在一些聚合物基體中，沒有明顯的損壞。復(fù)合材料的儲能模量顯著提高。

1.3 第三種方法

將部分碳納米材料分散在聚合物內(nèi)，加入催化劑，引發(fā)部分原料聚合生成高分子，通過這樣的方式得到所需要復(fù)合材料。第三種方法是促使碳納米纖維管分散和加強其與聚合物基體相互作用的最行之有效的方法。Jia et al采用原位聚合法制備了PMMA/SWNT 復(fù)合材料。結(jié)果表明碳納米纖維管與聚合物基體間存在強烈代寫論文的黏結(jié)作用。這主要是因為 AIBN 在引發(fā)過程中打開碳納米纖維管的 π 鍵使之參與到 PMMA 的聚合反應(yīng)中。采用經(jīng)表面修飾的碳納米纖維管制備 PMMA/碳納米纖維管復(fù)合材料，不但可以提高碳納米纖維管在聚合物基體中的分散比例，復(fù)合材料的機械力學(xué)性能也可得到巨大的提高。

2 聚合物/碳納米纖維管復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀

2.1 聚合物/碳納米纖維管結(jié)構(gòu)復(fù)合材料

碳納米纖維管因其超乎尋常的強度和剛度而被認為是制備新一代高性能結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的理想填料。近幾年，科研人員針對聚合物/碳納米纖維管復(fù)合材料的機械力學(xué)性能展開了多方面的研究，其中，最令人印象深刻的是隨著碳納米纖維管的加入，復(fù)合材料的彈性模量、抗張強度及斷裂韌性的提高。

提高聚合物機械性能其主要問題是要在聚合物基體內(nèi)部必須有良好的分布、分散，而且要增加它們和聚合物鏈之間的相互作用，通過優(yōu)化加工的條件以及碳納米纖維管的表層化學(xué)性質(zhì)，簡單的添加量已經(jīng)能夠使性能得到顯著的提升，預(yù)計在規(guī)定結(jié)構(gòu)中的效率達到最高，足以讓它的軸向性能發(fā)揮到最佳，在連續(xù)的纖維中有添加量，單壁碳納米纖維管可以達到 45%以上，而且測定出的強度相當突出。另外，只添加了少量的納米纖維管的工程用纖維，其強度得到了較大的提升，聚合物的導(dǎo)電復(fù)合材料有靜電噴涂、靜電監(jiān)制、磁盤空間等領(lǐng)域的比較理想的材料。很多企業(yè)用碳納米纖維管做成導(dǎo)電復(fù)合材料，碳納米纖維管科研分數(shù)為 25%的各種工程聚乙烯，如聚碳胺、聚酰酸酯和聚苯醇等的導(dǎo)電率均比用其它物品做填料時高，這種可行性復(fù)合材料既有抗沖擊的強度。又方便使用，在較多地方上得到應(yīng)用。一些企業(yè)成功制備了靜電處理材料，即在OHDFJ和FEUHI中添加碳纖維管，它的離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產(chǎn)出了含大量碳納米纖維管的高級復(fù)合材料，其表面極硬，物理性能強，是很好的抗靜電材料，另外，一些導(dǎo)電復(fù)合材料的阻值可以隨外力的變化而發(fā)生變化，可使用壓力傳感器得以觸摸控制開關(guān)，利用這些材料的電阻對一些化學(xué)氣體的性質(zhì)和強度的敏感性，可制成各種元件，對各種化學(xué)混合物進行分類，利用該材料的其它效應(yīng)，即當一個指標升至結(jié)晶聚合物燃點附近時，一些數(shù)據(jù)就會增大很多，而當數(shù)值恢復(fù)后，電阻值又回到初始值，可應(yīng)用于電路中的調(diào)節(jié)輸出功率，實現(xiàn)溫度自動控制開關(guān)。

一些研究工作證明：現(xiàn)有碳納米纖維管是迄今為止人類所知的最好的導(dǎo)熱材料，一些工作者預(yù)測，部分碳納米纖維管在一定溫下的導(dǎo)熱系數(shù)可高達 5400W/mK，而經(jīng)分離后一些多壁碳納米纖維管在常溫下的導(dǎo)熱系數(shù)是2000-3600 W/mK。由此可以理解，碳納米纖維管可提高一些復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)并且在高溫下的熱穩(wěn)定性。實驗結(jié)果顯示了導(dǎo)熱系數(shù)隨著FREG含量的增加而升高，當FREG的質(zhì)量分數(shù)達到 45h，混合材料的導(dǎo)熱系數(shù)比純RGFR的高3倍多。采用原位聚合法方式的一些碳納米纖維管等復(fù)合材料，在氮氣和空氣空間下，復(fù)合材料的熱分解時比基體材料分別提高了約80 ℃，在導(dǎo)熱的性能上，這些碳納米纖維管的加人使得復(fù)合材料的導(dǎo)熱的系數(shù)達到4.1W/mK，比純 DGFER 提高了將近8 倍。

在碳納米纖維管以及聚合物復(fù)合材料方面一直有一些大學(xué)納米技術(shù)在研制的一種多壁碳納米纖維管以及環(huán)氧樹脂吸波高級復(fù)合材料。通過對一些碳納米纖維管進行高溫 VERG 處理，使材料的表面產(chǎn)生了一些的孔洞，提高部分納米纖維管的整體活性；制備了吸波部分復(fù)合材料具備了良好的吸波效果和可控吸收頻段，利用這種新型復(fù)合材料的單位電阻率在 104-105·cm數(shù)量級，具有很好的抗靜電方式。這對于新型雷達設(shè)備材料的部分頻段和擴展部分頻寬有利。一些大學(xué)利用一些碳納米纖維管對部分樹脂良好材料性能進行了分析，發(fā)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料要比環(huán)氧非碳纖維的阻尼比提高了大約 125 %。

2.2 制做這種材料過程中需要解決的問題

碳納米纖維管的長徑比例較大，表面性能高，容易發(fā)生聚合，使它在聚合物中很難均勻分散。要使碳納米纖維管在聚合物整體中實現(xiàn)比較均勻分散是現(xiàn)在需要解決的重要難題。經(jīng)表面改變的碳納米纖維管可均勻分散于聚合物基體中，可以是用化學(xué)試劑或利用高能量放電，使紫外線照射等方法來處理碳納米纖維管，引入某些特定的材料。還可運用一些機械激活碳納米纖維管表面來改性，通過爆破等手段實現(xiàn)。

2.3 碳納米纖維管現(xiàn)今的取向問題

碳納米纖維管在聚合物中現(xiàn)今的取向要符合材料受力的要求，經(jīng)過研究表明，在通過一定加工的機械剪切可以加強碳納米纖維管在聚合物中的方向，進而改善復(fù)合材料的整體性能，要將多壁碳納米纖維管完全溶解于某種熱塑性聚合物溶液中，要使干燥制備出碳納米纖維管成為無序分散狀態(tài)的薄膜，其后在軟化溫度以上加熱并且用恒定的負荷進行強度機械拉伸，使其在一定的負荷下冷到至室溫，再次發(fā)現(xiàn)有時用機械拉伸使復(fù)合物得以實現(xiàn)碳納米纖維管在一定范圍內(nèi)定向進行排列。

2.4 復(fù)合材料的成型問題

現(xiàn)今碳納米纖維管及聚合物部分復(fù)合材料成型要采取工業(yè)模壓、部分澆鑄等方式，模壓操作比較簡單，易于大型工業(yè)化，可是在降溫降壓過程中，部分樣品會因為內(nèi)外溫差比較大會產(chǎn)生表面裂開的問題，材料形成設(shè)備不被外界應(yīng)力及其它外因的影響，如果去除溶劑部分過程比較長，碳納米纖維管就會發(fā)生材料團聚。

這樣聚合物的增強改性所要求使用的填料就會由原來一些玻璃纖維，有機纖維知道發(fā)展到現(xiàn)今的碳納米纖維管，材料尺寸上的變化使現(xiàn)在復(fù)合物材料原有的加工技術(shù)以及表征手段都有著新的挑戰(zhàn)，要求在今后大力發(fā)展原子能水平的新型加工技術(shù)以及表征手段，要適應(yīng)碳納米纖維管聚合物復(fù)合材料應(yīng)用的需要。

3 結(jié)束語

碳納米纖維管擁有獨特的性能，因此正在越來越多領(lǐng)域得以應(yīng)用，在隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，當前碳納米纖維管復(fù)合材料生產(chǎn)過程中存在的一些問題會慢慢得到解決，納米技術(shù)會真正為人們的現(xiàn)實生活服務(wù)，為人們提高生活質(zhì)量。

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