【摘要】：碳納米管陣列(CarbonNanotubeArrays)是一種以碳納米管為單元,在垂直于基底方向上平行排列形成的一種黑色薄膜狀固體材料。碳納米管發(fā)現(xiàn)的二、三十年間,其特殊的一維結(jié)構(gòu)與優(yōu)異特性獲得了廣泛的研究報(bào)道。碳納米管陣列有著特殊的結(jié)構(gòu)形態(tài),能將一維碳納米管的優(yōu)異微納特性集中體現(xiàn)在宏觀的陣列材料中。由于其擁有特殊的力學(xué)與傳熱性質(zhì),碳納米管陣列在仿生粘附以及熱界面材料等方面的應(yīng)用具有巨大的潛力。目前,碳納米管陣列的研究已取得許多成果,但不少研究結(jié)果仍眾說紛紜,表現(xiàn)出來的,工程應(yīng)用還亟待突破關(guān)鍵科學(xué)問題,其中關(guān)鍵的力學(xué)行為和傳熱性能仍需要更深入的探索。鑒于此,本文考察了碳納米管陣列的制備生長(zhǎng)方法,分析了碳納米管陣列的垂向壓縮力學(xué)特性,測(cè)試和揭示了碳納米管陣列仿生粘附特性及其機(jī)理,發(fā)展了基于碳納米管陣列的柔性基底熱界面材料和適用于振動(dòng)器件的熱界面材料。本文的工作連接了碳納米管陣列在力學(xué)和傳熱兩個(gè)領(lǐng)域之間的應(yīng)用,并為碳納米管陣列開拓了新的工程應(yīng)用前景。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:首先,考察了碳納米管陣列的制備方法,研究了碳納米管陣列的垂向壓縮力學(xué)行為。搭建了用于制備碳納米管陣列的化學(xué)氣相沉積系統(tǒng),分析總結(jié)了制備碳納米管陣列的合適氣體組分和氛圍。制備不同陣列高度與密度的碳納米管陣列,結(jié)合光刻圖形化的手段,制備不同尺寸碳納米管簇的微柱陣列。對(duì)上述不同特性碳納米管陣列進(jìn)行了垂向壓縮實(shí)驗(yàn),得到垂向壓縮力學(xué)特性。結(jié)果表明不同碳納米管陣列的壓縮力學(xué)特性存在一定的差異性。高陣列密度的碳納米管陣列表現(xiàn)出明顯的超彈性特性,而低密度的陣列表現(xiàn)出塑性的特性。陣列高度以及圖形化陣列簇的尺寸對(duì)壓縮力學(xué)特性也有一定的影響。其次,對(duì)碳納米管陣列的仿壁虎爪粘附特性進(jìn)行了研究,著重比較分析了預(yù)壓力的大小,保載時(shí)間和材料的表面性質(zhì)等對(duì)粘附特性的影響,探究了黏附作用的耐久性和重復(fù)性。同時(shí),結(jié)合碳納米管陣列的垂向壓縮力學(xué)行為,分析總結(jié)了粘附力形成的原因。粘附力大小與碳納米管受壓變形之間存在密切關(guān)系,碳納米管的形變與側(cè)邊接觸是粘附力形成的主要原因。預(yù)壓力的加載使得碳納米管陣列屈服變形,應(yīng)變?cè)酱?碳納米管與接觸表面的實(shí)際接觸面積越大,根據(jù)范德華力的作用原理,能產(chǎn)生更大的粘附力。同時(shí),本文發(fā)展了非接觸式瞬態(tài)光熱反射技術(shù)的方法應(yīng)用于薄膜材料熱導(dǎo)率的測(cè)量,給出了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,利用多參數(shù)擬合方法得出薄膜的熱導(dǎo)率與界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。應(yīng)用該方法測(cè)量了柔性基體碳納米管陣列樣品的熱物性參數(shù)。最后,研究了碳納米管陣列作為熱界面材料在振動(dòng)器件表面的力學(xué)響應(yīng)與散熱特性。以典型的壓電變壓器為例,比較了三種不同散熱裝置情況下的工作特性,包括溫升、功率傳遞效率與器件功率密度之間的關(guān)系。結(jié)果顯示配備碳納米管陣列的熱界面材料,壓電變壓器獲得更低的溫升與更高的功率傳遞效率。同時(shí)利用光熱反射技術(shù)對(duì)碳納米管陣列在壓電變壓器界面的熱物性參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量,得出熱導(dǎo)率高于傳統(tǒng)的聚合物材料的結(jié)論。另外,研究結(jié)果表明碳納米管陣列減少了振動(dòng)器件表面電極在接觸散熱時(shí)候的微動(dòng)摩擦損耗。配備有碳納米管陣列的壓電變壓器經(jīng)過120天的連續(xù)工作測(cè)驗(yàn),器件的表面電極無明顯的磨損,大大提高的器件的壽命。同時(shí)對(duì)于碳納米管陣列抗磨損特性進(jìn)行了一定的力學(xué)分析。
【圖文】：

碳納米管（Ｃａｒｂｏｎ邋ｎａｎｏｔｕｂｅ，簡(jiǎn)稱ＣＮＴ）的發(fā)現(xiàn)歸功于日本科學(xué)家Ｉｉｊｉｍａ邋（飯逡逑島澄男）。早在１９９１年，他利用高分辨透射電鏡，第一次觀察到ＣＮＴ的結(jié)構(gòu)⑴。逡逑如圖１．１所示，碳納米管猶如單石墨烯片層卷曲而成，總體表現(xiàn)為一維管狀結(jié)構(gòu)，逡逑它與準(zhǔn)零維結(jié)構(gòu)的富勒烯，二維的石墨烯，三維結(jié)構(gòu)的石墨、金剛石共同組成形逡逑態(tài)豐富的碳材料家族（圖１．２）。逡逑圖ｉ．ｉ單壁碳納米管與石墨烯的結(jié)構(gòu)逡逑＃＿■！！逡逑０維富勒烯邐１維碳納米管邐２維石墨烯逡逑３維石墨邐３維金剛石逡逑圖１．２多維碳材料家族逡逑理想的碳納米管結(jié)構(gòu)中的碳原子之間主要采用ｓｐ２雜化鍵合。但它并不是－逡逑個(gè)完全的平面，六邊形結(jié)構(gòu)存在一定的空間彎曲，故它的化學(xué)鍵同時(shí)具備ｓｐ２和逡逑）逡逑

ｓｐ３混合雜化狀態(tài)。碳納米管分為單壁碳納米管（ＳＷＣＮＴ）和多壁碳納米管逡逑（ＭＷＣＮＴ），這是由它結(jié)構(gòu)中的壁數(shù)決定的。ＭＷＣＮＴ的層與層之間無化學(xué)鍵，逡逑通過范德華力作用結(jié)合。圖１．３是一個(gè)典型的三壁碳納米管結(jié)構(gòu)示意圖。逡逑圖丨．３三壁碳納米管結(jié)構(gòu)逡逑單壁碳納米管的直徑很小，通常在以上，３ｎｍ以下ＨＡ如圖丨．４所示。逡逑ＩＫ逡逑圖１．４單壁碳納米管的透射電子顯微鏡（ＴＥＭ）成像逡逑而多壁碳納米管根據(jù)層數(shù)的不等，，直徑最大的可以超過ｌＯｎｎｉ。碳納米管之逡逑所以稱之為一維碳材料，是因?yàn)槠溟L(zhǎng)徑比極大，根據(jù)制備方式的不同，它的長(zhǎng)度逡逑可以從微米級(jí)到毫米級(jí)不等。碳納米管被發(fā)現(xiàn)二十多年以來，迅速的發(fā)展成為研逡逑宄最為廣泛和深入的材料之一。雖然碳納米管未能與像富勒烯和石墨烯一樣逡逑斬獲諾貝爾獎(jiǎng)，這或許正好是一個(gè)契機(jī)，不斷的激發(fā)科研人員對(duì)其進(jìn)行更為廣泛逡逑和深入的研宄與應(yīng)用。逡逑２逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O613.71;TB383.1

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本文編號(hào)：2667314