【摘要】：碳納米管具有高強度、高導熱性,高導電性等優(yōu)異性能,是21世紀備受矚目的新材料。碳納米管纖維是碳納米管在宏觀尺度上的組合,在結構材料與功能材料等領域有著良好的應用前景。但由于其組裝過程中難以避免的會引入缺陷,目前宏觀尺度上的碳納米管纖維的性能遠遠達不到碳納米管性能的理想值。因此,具有高性能的碳納米管纖維的穩(wěn)定制備和性能優(yōu)化是目前的研究熱點。本文利用浮動催化化學氣相沉積(FCCVD)法完成了碳納米管纖維的連續(xù)可控制備,系統(tǒng)地研究了各工藝參數(shù)對碳納米管纖維及其前驅體結構的影響規(guī)律;并對碳納米管纖維進行強化處理,優(yōu)化性能;對比了不同強化狀態(tài)下的碳納米管纖維的斷裂規(guī)律,提出了主要的強化機制。結合物理氣相沉積法(PVD)實現(xiàn)碳納米管纖維與金屬銅復合,定量的表征了銅含量對碳納米管纖維的力學與電學性能的影響;并對碳納米管/銅復合纖維進行強化處理,最終探索出一種高強度、高導電性的碳納米管纖維材料新制備方法。根據(jù)FCCVD工藝的基本原理,本文系統(tǒng)研究了工藝參數(shù)(載氣流量、載氣比例、注液區(qū)溫度、生長溫度和催化添加劑等)對碳納米管纖維生長過程的影響規(guī)律,研究表明:(1)隨著載氣流量和收集速度的增加,碳納米管束排布有序性增加,內部孔隙減少;(2)提高載氣中的氫氣比例,有利于消除碳納米管表面附著的無定形碳,促進碳納米管組裝成碳納米管纖維;(3)溫度升高,碳納米管結晶度提高,但無定形碳含量增加;(4)在催化劑內添加少量的銅可減少碳納米管壁數(shù)。經(jīng)過系統(tǒng)地優(yōu)化實驗,獲得了 FCCVD法最優(yōu)工藝:載氣中H2的體積分數(shù)不低于67%;注液區(qū)最佳溫度在350-400℃,合理的生長溫度為1275-1325℃;在催化劑鐵含量固定的前提下,銅添加劑的含量為n(Cu):n(Fe)=1:4～1:2較為合適。通過合理的控制生長工藝,碳納米管纖維可以連續(xù)穩(wěn)定的生長,直徑可控,且分布于20-120μm之間。通過統(tǒng)計計算分析,發(fā)現(xiàn)碳納米管纖維抗拉強度與直徑之間存在指數(shù)函數(shù)關系:σ=15294.5×d-0.82,這為碳納米管纖維的性能預測提供了一定的技術依據(jù)。根據(jù)碳納米管束之間的范德瓦爾斯力的計算方法,本文認為優(yōu)化碳納米管束的密度與取向性是提高碳納米管纖維性能的有效途徑。對此,采用拉拔法與軋制法對碳納米管纖維進行強化處理。對碳納米管纖維進行直接拉拔處理,碳納米管纖維容易發(fā)生變形回彈,強化效果有限,而且碳納米管纖維表面易被損傷。對此,本文提出了對碳納米管纖維包套后拉拔的新方法,有效地抑制了回彈,避免了表面損傷現(xiàn)象,顯著地改善了碳納米管纖維的密度與取向性。在拉拔強化的基礎上,對碳納米管纖維進行進一步的軋制處理,充分的消除了碳納米管纖維的內部的孔洞,降低了表面的粗糙度,提高了抗拉強度,其抗拉強度最高可以提高到2790±180MPa。分析發(fā)現(xiàn),碳納米管纖維的強化機制與其密度的提高有著直接的聯(lián)系。隨著密度增加,碳納米管束之間的范德瓦爾斯力增強,摩擦力增加,碳納米管纖維承載能力增加,密度與抗拉載荷函數(shù)關系為F=F0+b×△ρ,抗拉強度與密度之間的函數(shù)關系為σ = A×ρ+B×ρ2,這為進一步地優(yōu)化碳納米管纖維的性能提供了理論依據(jù)。經(jīng)拉拔與軋制強化處理后,碳納米管纖維電導率最高可以達到(1.36±0.16)×106S/m,但與金屬導電材料還有一個數(shù)量級的差距。為進一步提高碳納米管纖維的導電性,采用物理氣相沉積法(PVD)法在碳納米管纖維表面鍍覆連續(xù)、致密的銅膜,實現(xiàn)碳納米管纖維與高導電金屬銅的復合。復合銅膜后,碳納米管纖維的電導率提高了2個數(shù)量級,載流量也得到了顯著的提升,但抗拉強度降低。為了進一步提高綜合性能,對碳納米管與銅復合纖維進行了拉拔和軋制強化處理,同時優(yōu)化了銅膜的質量與碳納米管纖維的結構,提高了銅膜與碳納米管纖維界面間相互作用,實現(xiàn)了碳納米管/銅復合纖維的力學性能與電導率的同步提高。碳納米管/銅復合纖維的有效強度可以提高至101OMPa,是純銅的3倍以上,電導率增加到(2.6±0.3)×107S/m,達到了純銅的45%,這為輕質、高強、高導電率的碳納米管纖維導線的制備提供了理論和技術依據(jù)。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ127.11;TB383.1
【圖文】：

圖 0-1 氯磺酸溶液紡絲工藝制備碳納米管纖維[21]Fig. 1-1 Fabrication of the CNT fibers by chlorosulfonic acid solution spinning[21](a) CNT solution in chlorosulfonic acid, (b) spinning setup, (c) windin g drums withcollected fibers, (d) single and (e) 19 filament spinning圖 1-2 利用氯磺酸溶液紡絲法制備的碳納米管纖維的導電與導熱性能[21]Fig. 1-2 Properties of the CNT fibers fabricated by chlorosulfonic acid s olution spinning[21]

第 1 章 緒論示。圖 0-1 氯磺酸溶液紡絲工藝制備碳納米管纖維[21]Fabrication of the CNT fibers by chlorosulfonic acid solution s solution in chlorosulfonic acid, (b) spinning setup, (c) windin gcollected fibers, (d) single and (e) 19 filament spinning

圖 1-3 利用乙二醇溶液紡絲法制備多壁碳納米管纖維[14]Fig. 1-3 Fabrication of MWCNT CNT fiber by glycol solution spinning[14](a) schematic of the process, (b) image of MWCNT suspension, (c) collected MWCNTfiber綜上所述，除部分方法[13]外，多數(shù)采用溶液紡絲制備的碳納米管纖維力學性能較低，不適合用作結構材料；而在電學性能方面表現(xiàn)良好，在功能材料領域則有著良好的應用前景。1.2.2 陣列紡絲陣列紡絲是一種被廣泛研究的制備碳納米管纖維的方法。制備過程主要包括 CVD 法生長碳納米管陣列和紡絲兩個過程[15]：首先在基板上生長出與基板垂直的碳納米管陣列；再利用特殊機械裝置將陣列牽出，碳納米管在分子間作用力下自組裝成碳納米管纖維[16]。在 CVD 生長碳納米管陣列的過程中，首先，通過物理氣相沉積(PVD，physical vapor deposition)工藝將催化劑 Fe 沉積到 Si 基板上，形成穩(wěn)定的催化劑層，F(xiàn)e 層厚度控制在 1-3nm 之間，放入反應室內；然后，通入氬氣將反

【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

1 王忠堂;張士宏;程明;李德富;;高溫合金GH4169管材包套擠壓工藝及組織性能研究[J];鍛壓技術;2010年04期

2 曾紀杰,熊淵博;板材軋制問題中的變形與應力[J];鍛壓裝備與制造技術;2004年05期

相關博士學位論文 前2條

1 劉夏;碳納米管共價連接網(wǎng)絡與自組裝纖維的力學行為分析[D];北京工業(yè)大學;2014年

2 馮建民;安全化學氣相法制備連續(xù)碳納米管纖維[D];天津大學;2012年

相關碩士學位論文 前1條

1 王平平;C_f/Al復合材料界面顯微組織和缺陷的形成與演化機制研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2012年

本文編號：2764341