碳纳米管纳米复合材料现状与发展
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２ ０ １ ３年 ５月下 Ｃ ｏ ｎ ｓ ｕ ｍｅ ｒ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ Ｍａ ｇ ａ ｚ ｉ ｎ ｅ 电子科技
碳纳米管纳米复合材料现状与发展
张 树 桓
（ 保 定天威风 电叶片有限公司工艺部 ，河北保定
０ ７ １ ０ ５ １ ）
摘 要 ：碳纳米管从物理和化 学方面都具有独特性 ，它的应 用范围广泛 ，从汽车防护零件 到修饰 电机 ，从氢气 的储存到微波吸收等等 ，都得到 了广泛的应 用。所 以碳 纳米管的发现是材料 学，工程制备 的一 个优 秀成果。本文从 碳纳 米管 的发现 ，到对它的简介 ， 特性 的应 用以及 目 前存在的一 些亟需解 决的 问题进行 了阐述 。并提 出了对 它未来
与碳纳米管的接触不足， 催化剂不能高效工作， 产量低， 不适
合大批量生产 因此对设备进行了相应 改进 ， 采用沸腾床 ， 加 大接触面积 ， 让催化剂不断实现颗粒的运动状态 ， 提高 了催化 剂的效率， 增加了碳纳米管的产量。 直到现今设备的优化仍在 不断进行 。 常用的还有利用机械力和磁力搅拌 实现分离 出碳纳 米管 的溶液共混复合法 。 目的是让碳纳米管均 匀分散在聚合物 溶液 中，再将 多余 的溶剂除去后 即可获得聚合物／ 碳纳米管复 合材料 这种方法的优点是操作简单、 方便快捷， 常常用于制 备膜类材料 ，比如 ，树脂类 符合材料 ，烯类等符合材料 。利用 转 子实现剪切力量从而制备碳纳米管 的方法熔融共混复合 法： 是可以避 免溶剂或表面活性剂对 复合材料 的污染 ， 复合物没有 发现断裂和破损， 但仅适用于耐高温、 不易分解的聚合物中同 时还有将碳纳米管分散在聚合物单体， 加入 引发剂 ， 引发单 体 原位聚合生成高分 子，得到聚合物／ 碳纳米管复合材料 。 这 种 方法被认 为是提 高碳纳米管分散及 加强其与聚合物基体相 互 作用的最行之有效的方法 。 以上各种方法， 优势 明显但也存 在 这不足 适合根据 生产制备材料的 分类进行选取 ， 也适合对 制 备的设备进行优化，来进一步提升碳纳米管的制备效率 。
其次可以用于氢气的储存技术方面。当今社会，能源问题亟待解
在强度和韧性方面性能突出。 从机构来分析碳纳米管碳原子之
间的距离很短、自身管径较小， 结构自身就具有优越性， 铜金 属要远远逊色于碳纳米管。 所以它在符合材料方面的发 展不可
限量 。
二、碳纳米管实现应用的制备过程 碳纳米管如果想完场大批量的工业 等方面 的应用 ， 一定要 先实现低源自文库本情况下大量的制各。 碳纳米发现以后， 如何制备 它并且采取何 种工艺是人们研究 的热点。可 以说在制备方法 上， 有许 多成功 的案例 。 它们互有优劣 。 下面列举几个常见方 法， 加 以说 明。 早期的床催化裂解法工艺相对简单 ， 经济成 本 较低 ， 可 以体现碳纳米管的物理特 点。 但它也有不足 ， 催化 剂
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决， 能源的不断开发和浪费， 造成 了能源的不足， 一些能源的低 效高耗使用，又造成了环境的污染 ， 氢气高效环保，适合汽车使 用， 所以 实现氢气能源工业化 ， 商业化走入了人们的视野 。 但完 成这个工业化的过程，首要解决的就是氢气的大量储存 问题。碳 纳米管恰恰具备优越的储氢 的性能。目 前的研究成果标明， 碳纳 米管可 以 负载 ５ ｗ Ｔ ％ 以上的氢储存量。 美国的 再生能源实验室通过 实验， 得出了这个结论， 并进行了说明。 再后期的超声实验 中再 次证明了这一点。另一方面在 电级的应用方面碳，纳米管比表面 积大， 结晶度高， 导哇 ． ｊ ！ 于 ， 微孔大小可通过合成工艺加以控制， 因而有可能成为—种理想的电极材料。 四、不足与展望 在大量的实现制 各上仍然存在不足 ， 以催化机床实现制备 碳纳米管来说 ， 虽然沸腾 的方法 ， 解 决了大规模的生产制 备碳 纳米管 的问题 ， 但是， 对于所制各出的碳纳米管的各项指标还 无法精确由机床来完成，比如事先设置的合理的管径是多少， 具有多高的螺旋性等等， 今后应该加大制备设备的工艺研究力 度， 提高工艺生产设施条件 。 另外在制备 中 还存在取 向、 成型 等细节的问题。 以成型问题来说， 当前成型技术常用手段为模 压、 溶液浇铸， 前者具备操 作起来快捷简单、 利于大规模生产 的工业化 ，也存在不足 ，当它在 降温 的过程时 ， 会 出现 内外温 差大的问题 ， 此时碳纳米管容 易出现表面开裂 ； 后者虽然形在 制备中不存在应力因素的负面 影响 ， 但却会出现溶剂的 出去过 程时间长， 样 品重新 出现团聚 反应 。 当然在应用 的方面也有发 展的空间， 例如在微波吸收的应用中可以对微观的尺寸进行更 细致更深入的研究 ， 在 电极 应用方面可 以对电磁特性在碳纳米 管上的反应进行进一步研究，从而扩展碳纳米管的应用范 围， 对于已经大规模应用的可以提升应用效率和解决临界的细节 问题 。 参考文献： 【 １ 】 过馨露 ， 张建， 王炜． 纳米材料与生物分子 的相 互作用 与 微 结构特性ｍ． 物理学进展， ２ ０ １ ２ （ ０ ６ ） ． 『 ２ １ 焦迎春 ， 沈 同德 ， 粱沁． 碳 纳米管增 强聚 甲基 丙烯酸 甲酯 复合材料的研究进展 ０ 】 冲 国塑料 ， ２ ０ １ ２ （ １ ０ ） ． ［ ３ ］ 姚 慧， 王燕， 董元． 基 于明胶一 碳 纳米管的辣根 过氧化物酶 修 饰 电板 在 离子 液 体 中 的 直 接 电 化 学 Ｕ 】 ． 分 析 测 试 学 报， ２ ０ １ ２ （ １ ０ ） ． 『 ４ １ 孙 小婷， 王 雪， 高杰玲． 毛 细管 电泳一 碳纳米管修饰 电 极 分 析巯基 类生物分子 田． 广 州化工， ２ ０ １ ２ （ １ ４ ） ． 『 ５ ］ 张 玉刚， 黄 英， 刘彩霞． 人工皮肤用碳纳米管／ 硅胶 压敏 材 料研 究Ⅱ 】 ＿ 华中 科技 大学学报（ 自 然科 学版） ， ２ Ｏ ｉ １ （ ￥ ２ ） ． 【 ６ 】 张 玉刚， 黄英， 廉超． 碳纳米 管／ 炭黑并用导 电橡胶的制备 与性能研 究Ⅱ 】 ． 合肥工业大学学报（ 自然科 学版） ． ２ ０ １ １ （ １ ０ ） ．
一
文章鳊号 ：１ ６ ７ ４ － ７ ７ １ ２（ ２ ０ １ ３ ）１ ０ － ０ ０ ３ １ － ０ １
、
三、目前碳纳米管的应用范围
首先碳纳米管可以作为催化剂来应用， 可以提高催化剂的活 性，这跟碳纳米管 自身特点有关，它的表面原子 比率较大，相对
来说它的表面积比也较大。尤其对加氢的催化剂作用更加明显。
发 展 的 建 议 和展 望 。
关键词 ：碳纳米管 ；制备应 用；特性 ； 微 波吸收 中图分类号 ：Ｔ Ｂ ３ ９ ３ 文献标识码 ：Ａ
发现与初步特性研究 碳纳米管是在 １ ９ ９ １ 年 由日 本科学家发现并做出了报道 。 是在实验 中用高倍的隧道显微 镜意 外观察到 的， 由于全部由碳 原子形成 ， 而且是石墨按一定形式叠合组成 ， 所 以称它为碳纳 米 管。 经过进一步 的细致研究， 发现碳纳米管表面扩张的强度 好， 可耐 ２ ０ ０ ０ 多度 以上 的高温 ， 并且导热性能快， 导热率高 ， 电负载 能力远远超过铁铜等普通金属。 所有这些特性，让碳纳 米管具备了进行 加工 ，变成适合实际应 用的复合材料 的条件 。 按目前的划分， 主要把碳纳米管制备成结构和功能量大复合材 料类型。 碳纳米管的初步特性： 它具备了优越的导电性能 这 些性能与碳纳米 管 自身的特殊形成结构有着 密切 的关系 。 从碳 纳米管的 自身形成结构来讲 ， 碳纳米 管和 石墨 的片层结构可 以 说是基本相同的， 众所周之 ， 石 墨具备优越的 电学性能， 因此 它也具备 了优越的电学性 能。 经过研 究初 步认 为它 的导 电性能 与 自身的管径和他的管壁 形成 螺旋角度有关 。 如果管径大于 ６ 毫米 的情况下 ， 导电性 能会大幅度的下降； 相反的 ， 如果小于 这一 临界数值 ， 就可 以具备一维量子导线的优越导电性 。 碳纳 米管在力学方面也有 自身的特 点，尤其表现在抗扩展性方面 ，
２ ０ １ ３年 ５月下 Ｃ ｏ ｎ ｓ ｕ ｍｅ ｒ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ Ｍａ ｇ ａ ｚ ｉ ｎ ｅ 电子科技
碳纳米管纳米复合材料现状与发展
张 树 桓
（ 保 定天威风 电叶片有限公司工艺部 ，河北保定
０ ７ １ ０ ５ １ ）
摘 要 ：碳纳米管从物理和化 学方面都具有独特性 ，它的应 用范围广泛 ，从汽车防护零件 到修饰 电机 ，从氢气 的储存到微波吸收等等 ，都得到 了广泛的应 用。所 以碳 纳米管的发现是材料 学，工程制备 的一 个优 秀成果。本文从 碳纳 米管 的发现 ，到对它的简介 ， 特性 的应 用以及 目 前存在的一 些亟需解 决的 问题进行 了阐述 。并提 出了对 它未来
与碳纳米管的接触不足， 催化剂不能高效工作， 产量低， 不适
合大批量生产 因此对设备进行了相应 改进 ， 采用沸腾床 ， 加 大接触面积 ， 让催化剂不断实现颗粒的运动状态 ， 提高 了催化 剂的效率， 增加了碳纳米管的产量。 直到现今设备的优化仍在 不断进行 。 常用的还有利用机械力和磁力搅拌 实现分离 出碳纳 米管 的溶液共混复合法 。 目的是让碳纳米管均 匀分散在聚合物 溶液 中，再将 多余 的溶剂除去后 即可获得聚合物／ 碳纳米管复 合材料 这种方法的优点是操作简单、 方便快捷， 常常用于制 备膜类材料 ，比如 ，树脂类 符合材料 ，烯类等符合材料 。利用 转 子实现剪切力量从而制备碳纳米管 的方法熔融共混复合 法： 是可以避 免溶剂或表面活性剂对 复合材料 的污染 ， 复合物没有 发现断裂和破损， 但仅适用于耐高温、 不易分解的聚合物中同 时还有将碳纳米管分散在聚合物单体， 加入 引发剂 ， 引发单 体 原位聚合生成高分 子，得到聚合物／ 碳纳米管复合材料 。 这 种 方法被认 为是提 高碳纳米管分散及 加强其与聚合物基体相 互 作用的最行之有效的方法 。 以上各种方法， 优势 明显但也存 在 这不足 适合根据 生产制备材料的 分类进行选取 ， 也适合对 制 备的设备进行优化，来进一步提升碳纳米管的制备效率 。
其次可以用于氢气的储存技术方面。当今社会，能源问题亟待解
在强度和韧性方面性能突出。 从机构来分析碳纳米管碳原子之
间的距离很短、自身管径较小， 结构自身就具有优越性， 铜金 属要远远逊色于碳纳米管。 所以它在符合材料方面的发 展不可
限量 。
二、碳纳米管实现应用的制备过程 碳纳米管如果想完场大批量的工业 等方面 的应用 ， 一定要 先实现低源自文库本情况下大量的制各。 碳纳米发现以后， 如何制备 它并且采取何 种工艺是人们研究 的热点。可 以说在制备方法 上， 有许 多成功 的案例 。 它们互有优劣 。 下面列举几个常见方 法， 加 以说 明。 早期的床催化裂解法工艺相对简单 ， 经济成 本 较低 ， 可 以体现碳纳米管的物理特 点。 但它也有不足 ， 催化 剂
３ ｆ 消费电子 ２ ０ ｔ ３
决， 能源的不断开发和浪费， 造成 了能源的不足， 一些能源的低 效高耗使用，又造成了环境的污染 ， 氢气高效环保，适合汽车使 用， 所以 实现氢气能源工业化 ， 商业化走入了人们的视野 。 但完 成这个工业化的过程，首要解决的就是氢气的大量储存 问题。碳 纳米管恰恰具备优越的储氢 的性能。目 前的研究成果标明， 碳纳 米管可 以 负载 ５ ｗ Ｔ ％ 以上的氢储存量。 美国的 再生能源实验室通过 实验， 得出了这个结论， 并进行了说明。 再后期的超声实验 中再 次证明了这一点。另一方面在 电级的应用方面碳，纳米管比表面 积大， 结晶度高， 导哇 ． ｊ ！ 于 ， 微孔大小可通过合成工艺加以控制， 因而有可能成为—种理想的电极材料。 四、不足与展望 在大量的实现制 各上仍然存在不足 ， 以催化机床实现制备 碳纳米管来说 ， 虽然沸腾 的方法 ， 解 决了大规模的生产制 备碳 纳米管 的问题 ， 但是， 对于所制各出的碳纳米管的各项指标还 无法精确由机床来完成，比如事先设置的合理的管径是多少， 具有多高的螺旋性等等， 今后应该加大制备设备的工艺研究力 度， 提高工艺生产设施条件 。 另外在制备 中 还存在取 向、 成型 等细节的问题。 以成型问题来说， 当前成型技术常用手段为模 压、 溶液浇铸， 前者具备操 作起来快捷简单、 利于大规模生产 的工业化 ，也存在不足 ，当它在 降温 的过程时 ， 会 出现 内外温 差大的问题 ， 此时碳纳米管容 易出现表面开裂 ； 后者虽然形在 制备中不存在应力因素的负面 影响 ， 但却会出现溶剂的 出去过 程时间长， 样 品重新 出现团聚 反应 。 当然在应用 的方面也有发 展的空间， 例如在微波吸收的应用中可以对微观的尺寸进行更 细致更深入的研究 ， 在 电极 应用方面可 以对电磁特性在碳纳米 管上的反应进行进一步研究，从而扩展碳纳米管的应用范 围， 对于已经大规模应用的可以提升应用效率和解决临界的细节 问题 。 参考文献： 【 １ 】 过馨露 ， 张建， 王炜． 纳米材料与生物分子 的相 互作用 与 微 结构特性ｍ． 物理学进展， ２ ０ １ ２ （ ０ ６ ） ． 『 ２ １ 焦迎春 ， 沈 同德 ， 粱沁． 碳 纳米管增 强聚 甲基 丙烯酸 甲酯 复合材料的研究进展 ０ 】 冲 国塑料 ， ２ ０ １ ２ （ １ ０ ） ． ［ ３ ］ 姚 慧， 王燕， 董元． 基 于明胶一 碳 纳米管的辣根 过氧化物酶 修 饰 电板 在 离子 液 体 中 的 直 接 电 化 学 Ｕ 】 ． 分 析 测 试 学 报， ２ ０ １ ２ （ １ ０ ） ． 『 ４ １ 孙 小婷， 王 雪， 高杰玲． 毛 细管 电泳一 碳纳米管修饰 电 极 分 析巯基 类生物分子 田． 广 州化工， ２ ０ １ ２ （ １ ４ ） ． 『 ５ ］ 张 玉刚， 黄 英， 刘彩霞． 人工皮肤用碳纳米管／ 硅胶 压敏 材 料研 究Ⅱ 】 ＿ 华中 科技 大学学报（ 自 然科 学版） ， ２ Ｏ ｉ １ （ ￥ ２ ） ． 【 ６ 】 张 玉刚， 黄英， 廉超． 碳纳米 管／ 炭黑并用导 电橡胶的制备 与性能研 究Ⅱ 】 ． 合肥工业大学学报（ 自然科 学版） ． ２ ０ １ １ （ １ ０ ） ．
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文章鳊号 ：１ ６ ７ ４ － ７ ７ １ ２（ ２ ０ １ ３ ）１ ０ － ０ ０ ３ １ － ０ １
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三、目前碳纳米管的应用范围
首先碳纳米管可以作为催化剂来应用， 可以提高催化剂的活 性，这跟碳纳米管 自身特点有关，它的表面原子 比率较大，相对
来说它的表面积比也较大。尤其对加氢的催化剂作用更加明显。
发 展 的 建 议 和展 望 。
关键词 ：碳纳米管 ；制备应 用；特性 ； 微 波吸收 中图分类号 ：Ｔ Ｂ ３ ９ ３ 文献标识码 ：Ａ
发现与初步特性研究 碳纳米管是在 １ ９ ９ １ 年 由日 本科学家发现并做出了报道 。 是在实验 中用高倍的隧道显微 镜意 外观察到 的， 由于全部由碳 原子形成 ， 而且是石墨按一定形式叠合组成 ， 所 以称它为碳纳 米 管。 经过进一步 的细致研究， 发现碳纳米管表面扩张的强度 好， 可耐 ２ ０ ０ ０ 多度 以上 的高温 ， 并且导热性能快， 导热率高 ， 电负载 能力远远超过铁铜等普通金属。 所有这些特性，让碳纳 米管具备了进行 加工 ，变成适合实际应 用的复合材料 的条件 。 按目前的划分， 主要把碳纳米管制备成结构和功能量大复合材 料类型。 碳纳米管的初步特性： 它具备了优越的导电性能 这 些性能与碳纳米 管 自身的特殊形成结构有着 密切 的关系 。 从碳 纳米管的 自身形成结构来讲 ， 碳纳米 管和 石墨 的片层结构可 以 说是基本相同的， 众所周之 ， 石 墨具备优越的 电学性能， 因此 它也具备 了优越的电学性 能。 经过研 究初 步认 为它 的导 电性能 与 自身的管径和他的管壁 形成 螺旋角度有关 。 如果管径大于 ６ 毫米 的情况下 ， 导电性 能会大幅度的下降； 相反的 ， 如果小于 这一 临界数值 ， 就可 以具备一维量子导线的优越导电性 。 碳纳 米管在力学方面也有 自身的特 点，尤其表现在抗扩展性方面 ，