本文關鍵詞：碳納米紙及其復合材料的制備與表征

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【摘要】：碳納米管具有優(yōu)異的導電性、導熱性和力學強度,但由于易團聚,碳納米管的應用受到很大限制,碳納米紙(buckypaper,BP)的發(fā)明大大擴展了其應用范圍。本文采用真空抽濾法制備了碳納米紙,并以碳納米紙?zhí)畛渚郾?PP)與環(huán)氧樹脂(EP)制備三明治結構的復合材料,研究了其結構與性能。首先,以三種不同結構的多壁碳納米管(MWCNT)為原料,探究了MWCNT的分散工藝,并用真空抽濾法制備了BP,研究了MWCNT尺寸結構對碳納米紙的結構與性能的影響。通過紫外光譜及溶液電阻的測試,確定了合適的分散工藝。懸浮液穩(wěn)定性測試表明, “粗而長”與“細而長”的MWCNT穩(wěn)定性較好,曲拉通X-100可以顯著提高懸浮液穩(wěn)定性。對碳納米紙的性能測試結果表明, “細而長”的MWCNT,成膜性、電導率(295 S/cm)、熱導率(81.4W·m-1·K-1)、機械性能(強度3.3 MPa)最好。在微觀結構上,“細而長”的MWCNT制備的碳納米紙孔徑更為均勻,分布較窄。以上結果表明,“細而長”的MWCNT制備的碳納米紙的綜合性能最優(yōu)。以聚丙烯與BP通過熱壓法制備了PP/BP復合材料,研究了復合材料的電熱性能、導電性、熱性能與電磁干擾屏蔽效能(EMI SE)。結果表明,PP/BP復合材料的表面溫度依賴于外加電壓與BP填充量大小,復合材料在外加電壓下的電流隨時間延長出現(xiàn)先增大后逐漸平衡的趨勢。由于樹脂的浸漬,復合材料的電導率比BP有所下降,但仍高于傳統(tǒng)共混材料2-3個數(shù)量級,且隨溫度升高而逐漸增大。此外, BP的填充提高了復合材料機械性能,BP填充量為3.7 wt%時,模量與強度分別比純PP提高了47.3%和19.7%。PP/BP復合材料在8.2～12.4 GHz(X波段)的電磁屏蔽主要依靠吸收損耗。復合材料的電磁屏蔽效能依賴于BP層的厚度,隨著BP厚度增大,屏蔽效能提高。BP厚度為70 gm時,最高屏蔽效能達40 dB。通過調節(jié)BP層間距有效提高了屏蔽效能,層間距為1.5 mm時,2層BP(厚度50 μm)的復合材料屏蔽效能可達44～51 dB。以環(huán)氧樹脂為基體,通過澆鑄法制備了含單層或多層BP的EP/BP復合材料,研究了復合材料的微觀形貌、電熱性能、導電性、電磁屏蔽等性能。結果表明,BP浸漬后厚度增大了約120%,浸漬性良好。電熱性能測試表明,復合材料的表面發(fā)熱溫度隨BP厚度與外加電壓增大而增大。由于樹脂的浸漬,碳納米紙的導電性下降,隨溫度提高,電導率先減小后增大。BP提高了環(huán)氧樹脂的儲能模量,填充量為10.7 wt%時,常溫下儲能模量為純環(huán)氧樹脂的2倍,但對玻璃化轉變溫度影響不大。EP/PP復合材料的電磁屏蔽效能也主要依靠吸收損耗。增大BP厚度,電磁屏蔽效能提高。此外,增加碳納米紙層數(shù),電磁屏蔽效能提高,5層50 μm的BP填充時,電磁屏蔽效能可以達到50 dB以上。通過合理調節(jié)碳納米紙層的層間距,提高了復合材料的電磁效能,層間距為1.7mm時,2層碳納米紙(厚度50μm)的屏蔽效能最高可達52 dB。
【關鍵詞】：碳納米管 碳納米紙 復合材料 導電性 電磁屏蔽
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TB383.1;TB33
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 引言11-12
• 1 緒論12-26
• 1.1 碳納米管的結構與性能12-14
• 1.1.1 碳納米管的結構12-13
• 1.1.2 碳納米管的性能13-14
• 1.2 碳納米管的制備方法14-15
• 1.2.1 電弧放電法14-15
• 1.2.2 激光蒸發(fā)法15
• 1.2.3 催化化學沉積法15
• 1.3 碳納米紙制備15-18
• 1.3.1 真空抽濾法16-17
• 1.3.2 直接生長法17-18
• 1.4 碳納米紙的結構18-19
• 1.4.1 碳納米紙的結構分類18
• 1.4.2 碳納米紙的結構研究進展18-19
• 1.5 碳納米紙的性能19-21
• 1.5.1 碳納米紙的導電性19-20
• 1.5.2 碳納米紙的導熱性20-21
• 1.5.3 碳納米紙機械性能21
• 1.6 碳納米紙復合材料與應用研究進展21-25
• 1.6.1 碳納米紙復合材料21-22
• 1.6.2 儲能材料領域22
• 1.6.3 電磁屏蔽與吸波材料領域22-24
• 1.6.4 傳感器和生物醫(yī)用材料領域24
• 1.6.5 電熱材料領域24-25
• 1.7 本課題研究的內容25-26
• 2 碳納米紙的制備與表征26-46
• 2.1 概述26
• 2.2 實驗材料26-27
• 2.2.1 實驗試劑26-27
• 2.2.2 實驗儀器27
• 2.3 樣品制備27
• 2.3.1 碳納米管懸浮液制備27
• 2.3.2 碳納米紙的制備27
• 2.4 結構及性能表征27-29
• 2.5 結果與討論29-45
• 2.5.1 碳納米管的分散性與分散工藝探究29-35
• 2.5.2 碳納米管懸浮液的穩(wěn)定性35-37
• 2.5.3 碳納米管的成膜性與微觀形貌37-39
• 2.5.4 碳納米紙的孔隙率、電導率與熱導率39-40
• 2.5.5 碳納米紙的機械性能測試40-41
• 2.5.6 碳納米紙的孔徑結構41-45
• 2.6 小結45-46
• 3 聚丙烯/碳納米紙復合材料的制備與表征46-66
• 3.1 概述46
• 3.2 實驗材料46-47
• 3.2.1 實驗試劑46
• 3.2.2 實驗儀器46-47
• 3.3 樣品制備47-48
• 3.4 結構與性能表征48-49
• 3.5 結果與討論49-64
• 3.5.1 聚丙烯/碳納米紙復合材料的制備壓力選擇49-50
• 3.5.2 聚丙烯/碳納米紙復合材料的形貌觀察50
• 3.5.3 聚丙烯/碳納米紙復合材料的電熱性能50-56
• 3.5.4 聚丙烯/碳納米紙復合材料的導電性56-57
• 3.5.5 聚丙烯/碳納米紙復合材料的機械性能57-58
• 3.5.6 聚丙烯/碳納米紙復合材料的結晶性與熱穩(wěn)定性58-59
• 3.5.7 聚丙烯/碳納米紙復合材料的電磁屏蔽性能59-64
• 3.6 小結64-66
• 4 環(huán)氧樹脂/碳納米紙復合材料制備與表征66-83
• 4.1 概述66
• 4.2 實驗原料66-67
• 4.2.1 實驗試劑66
• 4.2.2 實驗儀器66-67
• 4.3 環(huán)氧樹脂/碳納米紙復合材料的制備67-68
• 4.4 結構及性能表征68
• 4.5 結果與討論68-81
• 4.5.1 微觀形貌表征68-70
• 4.5.2 環(huán)氧樹脂/碳納米紙復合材料的電熱性能70-74
• 4.5.3 環(huán)氧樹脂/碳納米紙復合材料的導電性74-75
• 4.5.4 環(huán)氧樹脂/碳納米紙復合材料的機械性能75-76
• 4.5.5 環(huán)氧樹脂/碳納米紙復合材料的電磁屏蔽效能76-81
• 4.6 小結81-83
• 結論83-84
• 參考文獻84-93
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表學位論文情況93-94
• 致謝94-95

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