碳纳米管的特性及其高性能的复合材料综述

碳纳米管的特性及其高性能的复合材料综述
摘要作为一种具有较强力学性能的材料，碳纳米管自诞生以来就受到了广泛关注，并且从以往的实践经验上来看，碳纳米管是非常理想的制备符合材料的形式。

在本文的研究当中，主要立足于这一领域进行分析，提出了碳纳米管本身所具备的特性，以及这种材料在实践过程当中的优越性，进而提出应用策略，希望能够在一定程度上起到借鉴作用。

关键词碳纳米管；复合材料；复合镀
迄今为止，碳纳米管材料已经在诸多领域当中得以运用，并且取得了比较显著的成果，其中包括电极材料、符合材料、催化剂载体等诸多方面。

在应用过程当中，碳纳米管的优异性能能够使其在符合材料当中起到较强的作用。

本文研究的侧重点在于碳纳米管的制备和复合材料的应用方面，提出了碳纳米管的特性及其高性能的复合材料。

1 碳纳米管的结构及其性能
从结构上来看，碳纳米管具有石墨层状的结构，其中包括单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。

组成纳米碳管的C-C共价键是自然界当中具有稳定特征的化学键，无论在理论计算还是实践当中，都能够看出来，碳纳米管具有非常强的韧性。

在制备过程当中，碳纳米管主要涉及的电弧放电、催化热解和激光蒸发等。

具体来讲，在电弧放电当中，主要制备单壁碳纳米管，但是其中具有一定的弊端，比如产率非常低，但是成本却很高；而催化热解法当中所表现出来的是设备简单和生长速度较快等特点，一般在现代工程的批量化生产过程当中，会用到这种方法。

在当前应用领域，高强度的微米级碳纤维复合材料有着非常广阔的应用前景和较好的应用效果。

但是当前我国在这一领域所取得的进展依旧比较滞后，要想在强度上取得新的突破，必须要有效减少碳纤维的直径，提高纵横比。

碳纳米管是比较典型的纳米材料，纵横比非常可观。

更为重要的是，从长度上来讲，纳米管对于复合材料的加工性能并没有非常明显的不良影响，使用这一材料能够有效聚合复合材料，改变传统加工当中的一些问题，增强复合材料的导电性能。

再加上纳米管当中所具备的结构优势，使得聚合物电导率提升的同时也不容易被改变性能[1]。

2 金属和陶瓷基的碳纳米管复合材料
在对于以往学者的研究当中能够总结出来，碳纳米管的存在能够改善金属材料当中的力学性能，从而带来陶瓷材料韧性的提升。

并且提出了，碳纳米管的含量对于PMPV复合材料电导率有着一定的影响。

在金属和纳米碳管复合的过程当中，需要一定的高温条件，而这一条件往往会使得复合过程比较脆弱，界面的结合强度受到影响，从而间接带来复合材料力学性能的低下。

对于高熔点的金属材料和硬质合金碳纳米管复合材料而言，如果只是采用的传统的加热方式，往往
存在着困难。

所以，如何有效融合二者，并且制备出来具有较高性能的复合材料是需要思考的问题。

制备高熔点金属碳纤维复合材料的过程当中，效果最好的方案就是采用复合镀的形式。

具体来，在电解质水溶液当中能够为复合镀提供较好的环境，在电解质水溶液当中，温度控制在100℃以内。

这样做也是为了能够尽可能避免脆性界面的情况，从而最大程度上来解决碳纳米管和金属基体之前所存在的种种问题。

值得一提的是，采用这项技术，对于多种类型金属与合金的制定有着非常重要的意义，在于控制镀液的成分与工艺条件进行控制，能够制成非晶态和纳米晶等不同微结构的金属基碳纳米管复合镀层，并且对于成分和工艺条件进行有效把控，还能够适当调节不同微结构的复合镀层，比如非晶态和纳米晶两种形式[2]。

3 金属或金属氧化物填充碳纳米管复合材料
金属或金属氧化物填充碳纳米管是近些年来挖掘并投入使用的技术，并且能够对原有的纳米材料起到较好的辅助性作用，不仅可以作为纳米电子器件，还可以作为传感器和新型催化剂等。

在制备过程当中，主要采用的方法有直接电弧放电法、液相化学法和模板合成法三大类型。

在具体实施的过程当中，如果能够采用包含金属催化剂的复合碳棒电弧放电，那么直接得到的是金属填充的碳纳米管。

虽然这一方法看似比较容易，似乎在短时间内能够取得，但是也具有一定的弊端，其中最明显的就是在高温电弧放电的过程当中，会逐渐形成金属碳化物，其中有很多无定形碳。

在国外的学者的研究当中，逐渐发展起来一种模板法，针对金属及其氧化物进行制备。

在模板技术的支撑作用之下，可以有效合成开口的碳纳米管。

在此基础之上，使用毛细作用，能够进一步将含有金属离子的溶液填充到碳纳米管当中，通過恰当的热处理的方法，最终所得到的是相应的金属氧化物和金属填充的碳纳米管材料。

采用这项技术也具有比较明显的优势，能够在一定期限当中，比较准确地对于碳纳米管的长度、直径和管壁的厚度进行控制与管理，最终得到的碳纳米管是开口的，但是并不需要进行特殊处理[3]。

4 聚合物-碳纳米管复合材料
在碳纳米管当中，相互之间存在着交叉网络的关系，所以，聚合物复合财力的电导率会有一个显著的增加趋势。

说明这种材料对于电导率的影响具有比较明显的渗透特征，阈值在8.5左右。

与此同时，导电聚合物在电致变色和电极材料等方面的应用效果是比较可观的。

在国外学者的研究当中，将碳纳米管作为模板，制备了管状的复合材料，具有非常明显的热稳定性特征。

从另一个层面上来讲，将聚合物碳纳米管复合材料作为基础，对于其中涉及的力学性能和强化机制进行进一步研究和完善，是未来的一大发展趋势。

譬如说通过拉伸和压缩的实验研究，能够深入了解复合材料当中所具备的力学性能，也能够证明在压缩条件之下，复合材料的载荷传递效力较大。

5 结束语
在本文的分析当中可以看出来，作为一种新型材料，碳纳米管对于人类社会的影响不容小觑，其中具有非常明显的力学性能和热稳定性。

在未来发展和应用领域当中，相关工作人员应当利用好这一特征，使得碳纳米管能够在聚合物复合材料开发与利用过程当中发挥价值与作用。

参考文献
[1] 刘钦铭. 聚偏氟乙烯/碳纳米管复合材料的形态结构及性能研究[D]. 长春：吉林大学，2012.
[2] 华阳，王雅璇，陈利强. 填充碳纳米管对纤维强化复合材料热传导特性的影响[C].中国科协年会第11分会场：低成本、高性能复合材料发展论坛. 中国科协年会第11分会场：低成本、高性能复合材料发展论坛论文集.秦皇岛：东北大学秦皇岛分校控制工程学院，2012：36-39.
[3] 卢少微，冯春林，聂鹏，等. 碳纳米管用于聚合物基复合材料健康监测的研究进展[J]. 航空材料学报，2015，35（2）：12-20.。