高分子材料与碳纳米管的制备及研究方法.docx
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高分子材料与碳纳米管的制备及研究方法
高分子与碳纳米管的制备方法及研究现状
Xxx430040
摘要:
将碳纳米管掺杂到聚合物母体中形成的碳纳米管/高分子复合材料具有良好的力学、导电和非线性光学性质。
在聚合物中添加少量碳纳米管可以明显改变聚合物的结晶和形貌。
大量研究表明,这些复合材料在诸如太阳能电池、有机发光器件、光限幅、光学开关、防护涂料以及人造肌肉等方面具有潜在的实际应用价值。
文中介绍了碳纳米管/高分子复合材料的制备方法及其在高科技领域中的应用潜能。
关键词:
碳纳米管;高分子复合材料;制备;研究
Polymerandmethodforpreparingcarbonnanotubeandresearchstatus
xxx430040
Abstract:
carbonnanotubesdopedintothepolymermatrixintheformationofthecarbonnanotube/polymercompositeshavegoodmechanical,electricalandnonlinearopticalpropertiesof.Inpolymerbyaddingasmallamountofcarbonnanotubescansignificantlyalterthepolymercrystallizationandmorphology.Alargenumberofstudiesshowthatthesecompositematerials,suchassolarcells,organiclightemittingdevice,opticallimiting,opticalswitches,protectivecoatingandartificialmusclehasapotentialvalueforpracticaluse.Thispaperintroducesthecarbonnanotube/polymercompositematerialanditspreparationmethodinthefieldofhigh-techapplicationpotential.
Keywords:
carbonnanotubes;polymercomposite;preparation;research
前言:
作为碳的四种同素异形体之一,碳纳米管因其独特的结构(具有小直径,高表面积,高
纵横比的结构特性,是一种禁带很窄的半导体)和优良的力学和光电性质已引起国内外的广泛关注。
碳纳米管的化学反应活性[2]与富勒烯相似,能发生多种化学反应。
由于碳纳米管不溶于任何有机溶剂,限制了其在纳米应用领域的进一步发展。
对其进行适当的有机/高分子化学修饰后,能大大增强碳纳米管及其衍生物在有机溶剂中的溶解度。
由碳纳米管和有机或高分子之间的相互作用而引起的协同效应也推动了基于碳纳米管的有机/高分子复合材料的研究进展,从而大大拓展了碳纳米管在材料领域中的应用价值。
大量实验数据和理论模型证明这种复合材料具有很显著的力学性质,如极高的杨氏模量,刚性和弹性,很高的热稳定性。
本文介绍了碳纳米管/高分子复合物的制备,综述了此类复合物的光学、电学、光限辐性质在现代科学领域中的应用。
Preface:
asthefourallotropeofcarbon,carbonnanotubesduetotheiruniquestructure(withsmalldiameter,highsurfacearea,highAspectratioofstructuralcharacteristics,isaverynarrowgapsemiconductor)andexcellentmechanicalandopticalpropertieshaveattractedextensiveattentionathomeandabroad.Carbonnanotubesbychemicalreactionactivity[2]andthefullereneissimilar,canproduceavarietyofchemicalreactions.Sincecarbonnanotubesdonotdissolveinanysolvent,limitingitsapplicationofnanoareasforfurtherdevelopment.Theproperorganic/polymerafterchemicalmodification,cangreatlyenhancethecarbonnanotubeanditsderivativesinorganicsolventsolubility.Carbonnanotubeandorganicorpolymerinteractionsbetweencausedbysynergisticeffectisalsodrivenbythecarbonnanotubebasedorganic/polymercompositematerialsresearch,soastogreatlyexpandthecarbonnanotubesinthematerialsinthefieldofapplication.Alargenumberofexperimentaldataandtheoreticalmodelsdemonstratethatthiscompositematerialhasveryremarkablemechanicalproperties,suchashighYoung'smodulus,therigidityandtheflexibility,highthermalstability.Thispaperintroducesthecarbonnanotube/polymercompositeprepared,reviewedsuchcomplexesintheoptical,electrical,opticallimitingradiationpropertiesinmodernscience.
正文:
1.1碳纳米管结构与性能
1.1.1米管的结构和分类
碳纳米管是由类似石墨结构的六边形网格卷绕而成的中空的“微管”,而每层纳米管是由一个碳原子通过spZ杂化与周围3个碳原子完全键合所构成的六边形平面组成的圆柱面。
在石墨的边缘,每个碳原子都有一个边缘悬键,这个边缘悬键就象伸出去的手一样,一直在寻找未成键的原子。
如果将石墨加热到1200℃以上,碳环就会开始重新排列,这种高能量活性边界开始卷曲,直到两个边界完美地结合在一起形成一种空心的管子,其它碳环也同时和这个管子相作用形成“帽状”结构,使其成为一端封闭或两端封闭的结构,即其两端由富勒烯半球封帽而成,如图1一1(c)所示。
碳纳米管的径向尺寸较小,管的外径一般在几纳米
到几十纳米;管的内径更小,有的只有Inln左右。
而碳纳米管的长度一般在微米量级,即具有很大的长径比[2一。
因此,碳纳米管被认为是一种典型的一维纳米材料。
管壁类似石墨的六边形结构,使得普通的碳纳米管可以在一定的条件下向金刚石纳米管转化。
碳纳米管的分类主要是根据层数、形态、手性等方面进行相应的分类。
①按层数分类。
根据碳纳米管中碳原子层数的不同,碳纳米管可以大致分为两类:
单武汉理工大学硕士学位论文碳纳米管(SwcNT)和多壁碳纳米管(MwcNT)卜s]。
②按形态分类。
实际上碳纳米管的端帽结构比较复杂,已经发现的结构有多角形、锥形、半环形和开口形等。
③按手性分类。
根据构成单壁碳纳米管的石墨片层的螺旋性,可以将单壁碳纳米管分为非手性型(对称)和手性型(不对称)。
单壁碳纳米管是由单层碳原子绕合而成的,结构具有较好的对称性与单一性l9],如图1一1(a)所示。
单壁碳纳米管在映射过程中保持石墨烯片层中的六边形不变,因此在映射时石墨烯片层中六角形网格和碳纳米管轴向之间可能会出现夹角。
A.Hassanim等在室温条件下得到单壁碳纳米管的原子分辨率图像,观察中发现单壁碳纳米管的最大直径可达2.gnln。
多壁管是由多层碳原子一层接一层绕合而成,形状象个同轴电缆,如图1一1(d)所示。
多壁碳纳米管层间距要比石墨晶体层间距略大,一般在0.34nm左右,而且层数越少其层间距越大,多壁碳纳米管两层石墨烯片层之间的距离可能是碳纳米管稳定结构的最大层间距,实验观察到其层间距为0.40nrn。
C.H.丸ang等根据高分辨电镜观察发现,多壁碳纳米管层间距从0.34一0.39lun变化,而且随多壁碳纳米管的直径减小而增大。
这主要是由于随着碳纳米管直径变小,其曲率随之增大,故层间距变大。
多壁管在开始形成的时候,层与层之间很容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷,因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷〔’“],而单壁管则不存在这类缺陷。
图1一1碳纳米管的结构图(a)单壁碳纳米管,伪)石墨烯片层,(c)球状碳纳米管末端和(d)多壁碳纳米管。
武汉理工大学硕士学位论文。
Abstract:
1.1carbonnanotubestructureandproperties
1.1.1arbonnanotubestructureandclassification
Carbonnanotubesarecomposedofsimilarstructureofgraphitehexagonalgridwindingintothehollow"micro",andeachlayeriscomposedofoneatomofcarbonnanotubesthroughspZhybridizationwitharound3carbonatomsarebonded.Thehexagonalplaneconsistingofcylindricalsurface.Inthegraphiteedges,eachcarbonatomhasanedgedanglingbond,theedgeofdanglingbondsasstickingoutofhand,havebeenlookingforwithoutbondingatoms.Ifthegraphiteheatingto1200degreesabove,carbonringwillstarttorearrange,thishighenergyactiveboundarybegantocurl,untilthetwoboundaryperfectlytogethertoformahollowpipe,theothercarbonringandalsothepipeforming"cap"structure,makeitsbecomeclosedatoneendorbothendsclosedstructure,namelyitsendsbyfullerenehemisphericalsealingcapandinto,asshowninFigure1isa1(c)shows.Carbonnanotubeswithsmallradialdimension,theoutsidediameterofthepipeisusuallyinafewnm
Toafewtensofnanometers;theinsidediameterofthetubeissmaller,someonlyaboutInln.Thecarbonnanotubelengthgenerallyinmicrons,whichhasgreatlength-diameterratio[2.Therefore,carbonnanotubesareconsideredtobeatypicalone-dimensionalnanomaterial.Tubewallissimilartographitehexagonalstructure,makesthecommoncarbonnanotubescanundercertainconditionstodiamondnanotubetransformation.Carbonnanotubeclassificationisprimarilybasedonlayers,morphology,chiralaspectsofthecorrespondingclassification.Accordingtothenumberofclassification.Accordingtothecarbonnanotubecarbonatomsindifferentlayers,carbonnanotubescanberoughlydividedintotwocategories:
singlemasterdegreeofWuhanUniversityofTechnology,carbonnanotubes(SwcNT)andmulti-walledcarbonnanotubes(MwcNT)s].Accordingtothemorphologicalclassification.Carbonnanotubesactuallyendcapstructureisrelativelycomplex,havebeenfoundinthestructurearepolygonal,conical,halfringandanopeningshape.Accordingtotheclassificationofthechiral.Accordingtoformasinglewallcarbonnanotubesgraphitelayerspiral,singlewallcarbonnanotubescanbedividedintoachiralandchiraltypetype(symmetric)(asymmetric).Singlewallcarbonnanotubesiscomposedofasinglelayerofcarbonatomsaroundtogether,thestructurehasgoodsymmetryandsingleL9],asshowninFigure1isa1(a)shows.Singlewallcarbonnanotubesinthemappingprocesstomaintainthegraphenelayersofhexagonalunchanged,sowhenmappinggraphenelayershexagonalmeshandcarbonnanotubesinaxialcanoccurbetweenangle.A.Hassanimatroomtemperatureundertheconditionsofsinglewallcarbonnanotubesbyatomicresolutionimages,singlewallcarbonnanotubeswerethelargestdiameterupto2.gnln.Multiwalltubeiscomposedofmultilayercarbonatomlayerafterlayerwindingtogether,shapedlikeacoaxialcable,asshowninFigure1isa1(d)shows.Multiwallcarbonnanotubelayerspacingthangraphitecrystallayerisslightlyspaced,generallyabout0.34nm,andplieslessitsspacingislarger,multi-walledcarbonnanotubestwolayergraphenesheetlayerbetweenthedistancemaybeacarbonnanotubestructureandstabilityofmaximumspacingoflayers,theexperimentallyobservedthelayerspacingof0.40nrn.C.Hpillangaccordingtohighresolutionelectronmicroscopyrevealed,multi-walledcarbonnanotubelayerspacingfrom0.34to0.39lunchanges,butalsowithmultiwallcarbonnanotubediameterdecreaseswiththeincreaseof.Thisismainlyduetothenanotubediameterbecomessmaller,thecurvatureincreases,sothelayerspacingincreases.Multiwalltubeatthebeginningofthetimeofformation,betweenthelayersbecomeeasytrapcenterandcaptureallkindsofdefects,somultiplewallpipeisusuallycoveredwithsmallholeslikedefects('"],andthesinglewalltubedoesnothavethiskindofdefect.Figure1-1carbonnanotubestructurediagram(a)singlewallcarbonnanotubes,graphenelayerspseudo),(c)sphericalcarbonnanotubes(d)andtheendofmulti-walledcarbonnanotubes.MasterDissertationofWuhanUniversityofTechnology
1.2碳纳米管的性能
比表面积忽略CNTs的弯曲对表面积的影响,单壁CNTs的极限表面积为630mZ/g,多壁cNTs的比表面积取决于端口封闭状态、层数和内外径,纳米管的比表面积还与其成束状况密切相关。
CNTs高的比表面积使其成为最有希望的新型储氢材料。
力学性能CNTs具有非凡的力学性质。
理论计算表明,CNTs具有极高的强度和极大的韧性。
由于CNTs中碳原子间距短、单层CNTs的管径小,使得结构中的缺陷不易存在,因此单层cNTs的杨氏模量据估计可高达5TPa(而钢的杨氏模量只有碳纳米管的1/5),可承担自身质量3000亿倍的拉力,其强度约为钢的100倍,而密度却只有钢的1/6,因此,CNTs被认为是强化相的终级形式。
NTs还有极高的韧性而不脆,在轴向施加压力或弯曲CNTs时,当外加压力超过Euler强度极限或弯曲强度时,CNTs不会断裂,而是首先发生大角度弯曲,后打卷绞结在一起形成类似“麻花状”物体,当外力释放后CNTs又恢复原状。
所以CNTs作为力学材料的前景十分乐观。
电学性能CNTs的导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。
当CNTs的管径大于6lun时,导电性能下降,当管径小于6nm时,CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。
CNTs的电子输运过程中存在量子效应,量子化电导来自于细纳米线电子波的量子性质。
当导体的长度小于电子的平均自由程时,电子的输运过程是弹道式的,弹道式电子输运在导体中没有能量损耗,不象普通导体导电时产生焦耳热,从而使CNTs在较高的电压下仍可稳定存在。
人们用紧束缚近似模型计算了CNTs的能带结构,设n为构成CNTs一个周长的六元环结构的单元数,当管轴方向平行于C一C键时,由于n不同,CNTs可能是导体,也可能是半导体,具体研究表明,当n为3的倍数时,CNTs为金属性,否则为半导体。
磁学性能与其他炭材料不同,CNTs具有负磁阻,具有比其他结构碳更大的磁化系数,常温下cNTs的轴向磁化系数为1.07x10一7eln侧g,为径向的1.1倍,是C60的30倍。
且磁化系数随温度降低而增大,CNTs在磁场中会出现AB效应从aronov一Bohmeffect)。
CNTs在磁场中AB效应的物理意义是,磁场的变化可CNTs的电子结构发生改变,出现金属性CNTs的“金属性一半导体性一金属性”变。
计算表明,较小直径的CNTs需较大磁场才能观察到AB效应,随碳管直增加所需磁场强度减小。
光学性能CNTs具有良好的非线性光学性质。
由于其中存在碳的大7r键共结构,并且相比于其他的聚合物结构,因为其只存在碳碳键而不存在其他聚合物中所共有的碳氢键,所以它不存在由于碳氢键引起的红外吸收,因而表现出了良好的非线性光学性质【川。
近年来,碳纳米管己经表现出很好的光限幅性质,逐渐成为光限幅材料研究的热点[’2,’3]。
非线性散射是碳纳米管悬浮液产生光限幅效应的主要原因,除了非线性散射机理外,L.vivien等人[’4]提出光束的自聚焦效应、热聚焦效应有可能也是CNTs悬浮液产生光限幅行为的原因之一。
场发射特性场致发射性能是CNTs最富特色的性质之一。
直径细小的CNTs可以用来制作极细的电子枪,在室温及低于sov的偏置电压下,即可获得0.1一1林A的发射电流。
另外,开口的CNTs比封闭的CNTs具有更好的场发射特性。
与目前的商用电子枪相比,CNTs电子枪具有尺寸小、发射电压低、发射密度大、稳定性高、无需加热和无需高真空等优点,有望在新一代冷阴极平面显示器中得到应用。
导热性能cNTs还有优异的导热性能「’习,是己知的最好的导热材料。
cNTs依靠超声波传递热能,CNTs在一维方向传递热能,其传递速度可达到10000而s。
适当排列CNTs可得到非常高的各向异性热传导材料,即使将CNTs捆在一起,热
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- 高分子材料 纳米 制备 研究 方法