基于电弧激励下碳纳米管分散方法研究及关键装备的研发

发布时间：2020-05-12 02:10

【摘要】：作为一种具有纳米线形貌下微骨架结构的一维纳米材料,碳纳米管(CNTs)以其优异的力学、电学、热学等性能吸引了国内外学者的广泛关注与研究。但随着科技的发展与研究的深入,发现碳纳米管由于其自身的小尺寸、大长径比和比表面积等特性以及碳纳米管间的范德华力和静电作用,在自然状态下极易产生团聚现象,因而带来了在实际生产应用中无法发挥单根碳纳米管所具有的优异性能的技术难题。因此,碳纳米管团聚问题仍是制约着其广泛应用并发挥其优异性能的技术瓶颈问题,碳纳米管分散方法及其技术的研究应用仍是碳纳米材料工业化应用中的迫切需求。本文针对上述问题,在本课题组创新性研究后提出的电弧法分散碳纳米管的基础之上,对该电弧激励下分散碳纳米管的方法进行了更加深入的研究,该方法可以直接将碳纳米管分散在空气环境中,并能够保持碳纳米管的完整性,比采用现有分散技术分散的碳纳米管具有更广阔的应用范围。本文主要对影响电弧法分散碳纳米管的因素进行了全面的分析和实验研究,主要实验研究了跃变工质种类、跃变工质与碳纳米管混合比例、碳纳米管混合电极密实度、金属电极种类及其与碳纳米管混合电极之间的放电距离和碳纳米管分散体捕集方式等的影响,并得到了基于电弧激励下分散碳纳米管方法的最优化条件。基于上述对电弧法分散碳纳米管诸多影响因素的实验研究,本文按照技术工艺要求、选取最优化的技术条件为研发依据,创新性的将电弧法分散碳纳米管技术应用于有望工业化分散碳纳米管设备中关键装备的设计与开发,其主要包括碳纳米管与跃变工质混合装置的设计、电弧放电装置的开发和阵列筛板捕集装置的初步设计等,对上述各装置的结构、功能按照已获得的技术条件的要求进行对应的开发和设计,并对各装置的重要零件及关键部分进行了选型校核计算。其中对更为关键的装置进行了多方案的结构设计,并运用Star-ccm+数值模拟软件对不同的结构设计进行仿真模拟分析,以指导对它们结构的选取与优化。
【图文】：

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看到了人们对新型一维材料巨大而持续的兴趣。这种研究热情最管（Carbon Nanotubes，CNTs）[1]的发现，碳纳米管具有令人感兴趣4-6]、热学[3,7,8]性能及纳米线形貌下的微骨架结构，，并在许多应用象深刻的潜力，如电气互连[9-13]、热界面材料[14-18]、高性能纤维[1单根碳纳米管的理论固有电学、热学和机械性能非常优异，但实管并未发挥其应有的性能，究其原因，除了碳纳米管生产过程中不可避免的结构缺陷以外[26-35]，另一更重要的原因就是碳纳米管较强的界面间的范德华力也容易引起制备过程中出现较严重的团碳纳米管团聚体的分散是实现碳纳米管真实潜力的关键之一。碳纳米管概述碳纳米管（CNTs）又称巴基管，是由碳元素所组成的空间一维无质，是一种与金刚石、富勒烯、石墨并列的碳族同素异形体，其有的封闭起来。一般而言，碳纳米管的径向尺寸为纳米级，在几范围内，轴向尺寸为微米级。根据碳纳米管构成层数的差异，可

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多壁碳纳米管是一种由六边形排列的碳原子所成的两端带有端帽的封闭同轴圆管[37]。伴随着52 年苏联人 Radushkevich[38]等提供了碳纳米管气相生长碳纤维时提出了碳纳米管的骨架结构ijima[40]教授，在通过直流电弧放电法合成 C60米管，通过高分辨透射电子显微镜的分析，发.34nm，和石墨非常接近，如图 1-2 所示，从图为同心圆环，每层碳原子对称平行分布的微管0）之后被发现的又一碳族同素异形体；1992 的科学家们使用改进电弧法成功制备[41]；在通过电弧放电法合成了由单层石墨卷曲而成纳米管因它所具有的优良的电学、力学和化学的微骨架结构和在高科技模块中潜在的应用价认同，并由此激发了研究碳纳米管的高潮以及长与发展。
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O613.71;TB383.1

【参考文献】