碳纳米管的应用领域—陶瓷

引言

纳米材料是纳米技术的基础，而碳纳米管又可称为纳米材料之王。碳纳米材料在纳米材料技术开发中举足轻重，它将影响到国民经济的各个领域。碳纳米管的发现是碳团簇领域的又一重大科研成果。在1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛(Iijima)在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是现在被称作的“Carbon nanotube”，即碳纳米管,又名巴基管。由于碳纳米管具有独特的金属或半导体导电特性、非常好的力学性能、极高的机械强度、吸附能力、场致电子发射性能和宽带电磁波吸收特性等，碳纳米管被发现之后立即受到物理、化学和材料科学界以及高新技术产业部门的极大重视。碳纳米管被认为是一种性能优异的新型功能材料和结构材料，在信息技术、生命科学、环境科学、自动化技术、航空航天技术及能源技术等方面具有广阔的 应用前景。可以预见，碳纳米管将在诸多领域形成新的产业，产生重大的经济效益和社会效益。

原子形成的石墨烯片卷成的无缝、中空的管体。碳纳米管因其独特的结构而具有许多独特的性能,除了在半导体器件、储氢、传感器、吸附材料、电池电极、催化剂载体等领域具有非常广阔和诱人的应用前景外,碳纳米管在制备结构、功能以及结构/功能一体化复合材料方面也将大有作为。CNTs陶瓷复合材料的研究才刚起步, 目前仍处于尝试阶段。虽然CNTs的增强和功能(导电和导热) 效果已有初步体现,但效果并不理想,相对于微米级增强相的优势还不明显,离理论预测的效果还有很大差距,还有许多工作要做。

1、CNTs陶瓷复合材料着重的研究工作:

1.1 CNTs在基体中的均匀分散技术

只有CNTs均匀地分散到基体中去,才能最大程度地发挥CNTs的增强作用以及功能特性。可以说,均匀分散是制备高性能CNTs陶瓷复合材料的前提。CNTs直径小且纵横比大,表面积大且易团聚,这一方面导致均匀分散的难度非常大,另一方面也导致制备高体积含量CNTs陶瓷复合材料的难度也非常大, 而足够的 CNTs体积分数对于增强效果和功能特性是很重要的。球磨混合、超声混合、使用表面活性剂、原位合成是目前报道的提高分散均匀性的方法。其中,原位合成可以制备出分散均匀且体积含量高的CNTs陶瓷复合材料,值得深入研究;

1.2 CNTs陶瓷复合材料的致密化技术。

足够的致密度是获得高力学性能CNTs陶瓷复合材料的前提,目前报道的致密化技术大都是高温高压烧结技术,它不仅会破坏CNTs的结构,减少CNTs的数量,而且当CNTs体积含量较高,分散均匀性较差时,高温高压烧结技术很难获得高致密度,从而严重削弱CNTs的增强效果和功能特性。虽然已有利用SPS技术制备出高致密度CNTs陶瓷复合材料的报道,但开发低温无压致密化技术的需求依然迫切;

1.3 CNTs基体界面结构设计与控制。

CNTs是一种纳米尺度的增强相,具有独特的表面特性和非常大的比表面积,这就决定了CNTs与基体的接触面积很大,界面结构也与众不同。因此,界面结构对CNTs陶瓷复合材料性能有着非常大的影响,当CNTs体积含量较高时,这种影响程度就更大了。从这个意义上说,从原子尺度上研究CNTs与基体之间的界面结构及其对复合材料性能的影响,以及通过CNTs表面处理等手段进行界面结构设计与控制将是今后工作的重点; 1.4 CNTs陶瓷复合材料微观结构研究。

从目前研究情况看,往往只单纯考虑CNTs含量与复合材料性能的关系,而没有从CNTs和基体相互协同的角度考虑问题,忽略了基体结构以及CNTs结构对性能的影响,从而引起一些错误结论。今后应注意研究CNTs 结构在制备过程中的变化以及由于CNTs引入而引起的基体结构的变化;

1.5 增强增韧机理研究。

将CNTs用作陶瓷材料的增强相,其主要目的是提高陶瓷材料的韧性。同时,利用CNTs 超高的强度和模量也能提高陶瓷材料的强度和模量。由于CNTs的结构和特性与其它增强相存在明显差异,因此,CNTs的增强增韧机理以及CNTs陶瓷复合材料力学性能的准确表征就成为研究重点;

1.6 其它性能的研究和开发

除了超高的力学性能外,CNTs还具有许多独特的功能特性,可以制备出多功能以及结构/功能一体化的CNTs陶瓷复合材料。为充分发挥CNTs 的作用,扩大其应用范围,应该在CNTs陶瓷复合材料的电学性能、热物理性能、介电性能、磨擦磨损性能等方面加强研究,并阐明内在机理。2、碳纳米管/陶瓷基复合材料的制备

碳纳米管/陶瓷基复合材料的制备过程中存在很多困难。目前问题主要集中在以下三方面:首先，也是最重要的问题是如何将碳纳米管均匀分散在基体中;其次，如何使碳纳米管在高温烧结时结构不受破坏;第三，碳纳米管目前产量小、成本大，不能满足研究需要。CNTs在复合材料中能否起到预期的效果，关键在于是否能在基体中均匀分散并与基体之间形成强界面结合。在制备复合材料前对 CNTs进行表面改性是解决该问题的有效方法。目前常用的表面改性方法有两种，一种是在CNTs溶液中添加表面活性剂(分散剂)。表面活性剂通常包括僧水基和亲水基两部分，当将其加入到含有CNTs的溶液中后，嘈水基与碳纳米管表面吸附，亲水基悬浮在外面，从而提高了碳纳米管在水中的溶解性能。目前常用的表面活性剂有PAA、C16TMAB、C16EO、PEI、SDS、乙醇、正硅酸乙酷乙醇等。实验证明表面活性剂的加入可以改善碳纳米管在基体中的分散，并提高其电学和力学性能。然而，采用这种方法不可避免的会引入杂质。另外一种表面改性的方法是对CNTs进行表面氧化处理。这种方法可以在不引入杂质的前提下在管壁产生各种官能团，从而改善碳纳米管的分散性。碳纳米管的表面氧化处理通常采用浓硝酸或者浓硝酸与浓硫酸组成的混酸中加热并配合超声分散进行。

碳纳米管通过表面改性得到稳定悬浮液后，制备复合粉体通常采用胶体法、溶胶--凝胶法或杂凝聚法。采用胶体法制备了多壁碳纳米管,化铝复合材料。首先分别使用阴、阳离子分散剂分散多壁碳纳米管与氧化铝，制备出相应的稳定悬浮液。然后将氧化铝悬浮液逐滴加入到碳纳米管悬浮液中，利用静电吸附剂得到沉淀。得到的沉淀洗涤、干燥后即