碳納米管樹脂複合材料的製備和性能研究

《碳納米管樹脂複合材料的製備和性能研究》是依託清華大學，由王佳平擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：碳納米管樹脂複合材料的製備和性能研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：王佳平
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

碳納米管具有優異的力學、電學、熱學等機械和物理性能，如何在巨觀尺度內有效發揮碳納米管優異的性能是碳納米管高分子複合材料研究的關鍵問題。本項目研究一種以從超順排碳納米管陣列中抽取的連續碳納米管線和薄膜為預置體，製備具有巨觀尺度的新型碳納米管樹脂複合材料（包括長線和體材料）的方法。目標是實現微觀結構的可控性，包括碳納米管在樹脂基體中的均勻分布，體積含量和取向的可控性，並通過樹脂的改性，提高樹脂和碳納米管的浸潤性和界面性能，從而顯著提高碳納米管樹脂複合材料的性能。研究碳納米管長度對碳納米管線和薄膜預置體和後續製備的複合材料性能的影響，以及碳納米管的引入對樹脂基體結構和熱穩定性的影響機理。在研究碳納米管樹脂複合材料的微觀結構和機械物理性能的關係的基礎上，通過改變碳納米管的長度和樹脂改性進一步最佳化其性能，為探索碳納米管樹脂複合材料作為一種新型巨觀尺度的結構和功能材料的套用奠定科學基礎。

結題摘要

碳納米管具有優異的力學、電學、熱學等性能，如何在巨觀尺度內發揮碳納米管的特性，獲得具有優異性能的碳納米管複合材料是碳納米管套用研究中的關鍵問題。本項目基於超順排碳納米管陣列、長線、薄膜，研究具有巨觀尺度的碳納米管複合材料的製備、結構、性能、套用。通過碳納米管複合材料的結構設計和構築方法研究，碳納米管的表面化學改性以及高分子和溶劑的選擇，實現了碳納米管的分布、含量、取向的可控性,改善碳納米管與其他材料的界面浸潤性和相互作用，顯著提高碳納米管複合材料的性能。材料體系不僅僅局限於碳納米管高分子複合材料，碳納米管無機非金屬複合材料及其在能源領域的套用也是本項目拓展的一個重要研究方向。研究內容包括：碳納米管的表面化學改性；碳納米管在溶劑中的分散性研究；巨觀尺度碳納米管海綿體；碳納米管高分子複合材料的微波合成和性能研究；柔性可拉伸碳納米管高分子複合材料的製備和性能研究；碳納米管複合材料在能源領域的套用研究。 本項目取得了如下代表性成果：（1）發展了利用氧化劑對碳納米管進行表面化學改性的方法，在碳納米管表面增加了親水性官能團，提高了碳納米管的水溶性、化學活性、電化學性能，顯著改善了碳納米管與其他材料的相互作用。（2）實現了碳納米管在溶劑中的均勻分散和三維網路結構的構築。超順排碳納米管在超聲作用下形成連續三維導電網路，將其他材料顆粒包裹在碳納米管網路中，形成均勻分散的碳納米管複合材料。（3）基於在溶劑中形成的碳納米管三維網路，通過凍乾法獲得了結構和性能可控的巨觀尺度碳納米管海綿體，作為預置體構築多種碳納米管複合材料。（4）利用碳納米管薄膜對微波的吸收作用和放熱現象，採用微波熔合方法在高分子表面製備了具有高導電性的碳納米管塗層, 具有優異的耐刮擦、防靜電性能。（5）利用預拉伸的彈性高分子材料作為基底與多層碳納米管薄膜進行複合，大應變條件下能保持碳納米管完整的導電網路和碳納米管高分子複合薄膜恆定的電阻值，在柔性電子學領域將有廣泛的套用。（6）採用原位合成的方法構築了多種碳納米管無機非金屬複合材料，用作鋰離子電池和鋰硫電池電極。複合電極具有高強度、高柔韌性、多孔結構、高比容量和優異的循環倍率性能。上述成果為探索碳納米管複合材料作為一種新型巨觀尺度的結構和功能材料的套用奠定了堅實的科學基礎。本項目共發表SCI論文11篇，獲得授權專利8項，國際會議特邀報告4次，已順利完成項目計畫。