碳纳米管的应用研究

日期：2018-11-23 09:32

碳纳米管的形态

碳纳米管表现出优良的吸波性能,同时具有质量轻、兼容性好、吸波频带宽等特点,是新一代最具发展潜力的吸波材料。碳纳米管具有高导性,比表面积大,用它们制得的复合材料有吸波和承载的双重功能。碳作为偶极子在电磁场的作用下耗散电流,在周围基质的作用下,耗散电流被衰减,电磁波能量转换成热能等形式。例如采用竖式催化裂解法制备出碳纳米管,然后采用氢氧化钾(KOH)进行活化,使碳纳米管的比表面积从24.5m2/g提高到360.1m3g且碳纳米管的各种类型的空结构都得到增加;微波吸收性能的研究表明,采用氢氧化钾进行活化,碳纳米管的吸收性能优于未活化碳纳米管的吸收性能,活化还可以使碳纳米管的微波吸收能力加强,吸收频率宽化。

碳纳米管基本上可分为单壁型和多壁型两类。纳米管的结构决定它们是具金属性还是具有半导体性质,大约三分之二的单壁纳米管属于半导体型,三分之属于金属型,至于多壁纳米管,由于各层壳的性能的叠加,难以做出明显区别,但大体上是金属型。碳纳米管表现出金属或半导体的性质,并且拥有特殊的螺旋结构和手性特性,从而使其具有特殊的电磁效应。

把碳纳米管与聚合物复合不仅可以对聚合物起增强作用,而且将碳纳米管与高聚物复合能够得到一种性能优良的宽带吸波材料。研究表明,添加质量分数为8%的聚酯基复合材料在8~40GHz波段有明显的吸波性能,随着材料厚度的增加,吸收峰向低频移动。研究发现,碳纳米管/聚酯基复合材料由于其手性特性在毫米波段表现出明显的吸收特性。碳纳米管良好的吸波特性,意味着可以设计出既吸收厘米波又吸收毫米波的雷达波吸收材料。

碳纳米管的力学性能相当突出。现已测出多壁纳米管的平均弹性模量为1.8TPa,碳纳米管的弹性模量实验值为30GPa与50GPa。尽管碳纳米管的弹性模量如此之高,但它们的脆性不像碳纤维那样高。碳纤维在约1%变形时就会断裂,而碳纳米管要到约18%变形时才会断裂。碳纳米管的层间剪切强度高达500MPa,比传统碳纤维增强环氧树脂复合材料高一个数量级。在电性能方面碳纳米管用作聚合物的填料具有独特的优势,加入少量碳纳米管即可大幅度提高材料的导电性。与以往为提高导电性面向树脂中加入的炭黑相比,碳纳米管有高的长径比,因此其体积含量可比球状炭黑减少很多,多壁碳纳米管的平均长径比约为1000同时,由于纳米管的本身长度极短而且柔曲性好,它们填入聚合物基体时不会断裂,因而能保持其高长径比。

碳纳米管结构对其介电性能影响很大,碳纳米管晶化程度越好,介电常数降低幅度和磁导率实部增大幅度越大,非晶碳的存在使碳纳米管的c和c,在某些频段偏高。多壁碳纳米管的、c"比单壁碳纳米管的大许多,其电损耗、磁损耗增加比较明显;阵列多壁碳纳米管与聚团多壁碳纳米管相比,其电损耗、磁损耗均增加。研究表明,碳纳米管具有较强的压阻效应,当形变量从0增加到3.2%时,碳纳米管的电导率从10S/cm下降到10-7S/cm,且变化可逆,爱尔兰学者的研究表明,在塑料中掺入2%~3%的多壁碳纳米管使电导率提高了一个数量级,从10~12s/m提高到了102S/m,通过对碳纳米管结构,排列方式及外应力的改变,可以达到控制吸收剂介电性能的目的。
除改变碳纳米管结和排列方式外,也可对碳纳米管进行改性。常用的改性方法有填充和表面镀层。最常用的填充和表面镀层物质是磁性金属,如Fe、Co、Ni等。目前一般采用在碳纳米管表面镀镍的方法,改善碳与基体材料结合性差的缺点,通过加强碳纳米管表面的氧化、敏化、活化处理调整传统化学镀镍溶液配方和条件,使反应在尽可能低的速率下进行。例如,有研究人员用竖式炉浮游法制备的碳纳米管的外径为40~70nm,内径为70~10nm,长度为50~100gm,碳纳米管呈直线状,用化学镀方法在碳纳米管的表面镀上一层均匀的过渡金属镍。碳纳米管吸波涂层在厚度为0.97mm时,在8~18GHz,反射率R<-10dB的频宽为3.0GHz,反射率R<-5dB的频宽为4.7GHz。镀镍碳纳米管吸波涂层在厚度为0.97nm时,反射率R<-10dB的频宽为2.23GHz,反射率R<-5dB的频宽为4.6GHz。

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