垂向碳纳米管阵列的界面粘附力学与传热性能的应用研究

发布时间：2020-05-16 21:00

【摘要】：碳纳米管阵列(CarbonNanotubeArrays)是一种以碳纳米管为单元,在垂直于基底方向上平行排列形成的一种黑色薄膜状固体材料。碳纳米管发现的二、三十年间,其特殊的一维结构与优异特性获得了广泛的研究报道。碳纳米管阵列有着特殊的结构形态,能将一维碳纳米管的优异微纳特性集中体现在宏观的阵列材料中。由于其拥有特殊的力学与传热性质,碳纳米管阵列在仿生粘附以及热界面材料等方面的应用具有巨大的潜力。目前,碳纳米管阵列的研究已取得许多成果,但不少研究结果仍众说纷纭,表现出来的,工程应用还亟待突破关键科学问题,其中关键的力学行为和传热性能仍需要更深入的探索。鉴于此,本文考察了碳纳米管阵列的制备生长方法,分析了碳纳米管阵列的垂向压缩力学特性,测试和揭示了碳纳米管阵列仿生粘附特性及其机理,发展了基于碳纳米管阵列的柔性基底热界面材料和适用于振动器件的热界面材料。本文的工作连接了碳纳米管阵列在力学和传热两个领域之间的应用,并为碳纳米管阵列开拓了新的工程应用前景。主要研究内容和结论如下:首先,考察了碳纳米管阵列的制备方法,研究了碳纳米管阵列的垂向压缩力学行为。搭建了用于制备碳纳米管阵列的化学气相沉积系统,分析总结了制备碳纳米管阵列的合适气体组分和氛围。制备不同阵列高度与密度的碳纳米管阵列,结合光刻图形化的手段,制备不同尺寸碳纳米管簇的微柱阵列。对上述不同特性碳纳米管阵列进行了垂向压缩实验,得到垂向压缩力学特性。结果表明不同碳纳米管阵列的压缩力学特性存在一定的差异性。高阵列密度的碳纳米管阵列表现出明显的超弹性特性,而低密度的阵列表现出塑性的特性。阵列高度以及图形化阵列簇的尺寸对压缩力学特性也有一定的影响。其次,对碳纳米管阵列的仿壁虎爪粘附特性进行了研究,着重比较分析了预压力的大小,保载时间和材料的表面性质等对粘附特性的影响,探究了黏附作用的耐久性和重复性。同时,结合碳纳米管阵列的垂向压缩力学行为,分析总结了粘附力形成的原因。粘附力大小与碳纳米管受压变形之间存在密切关系,碳纳米管的形变与侧边接触是粘附力形成的主要原因。预压力的加载使得碳纳米管阵列屈服变形,应变越大,碳纳米管与接触表面的实际接触面积越大,根据范德华力的作用原理,能产生更大的粘附力。同时,本文发展了非接触式瞬态光热反射技术的方法应用于薄膜材料热导率的测量,给出了相应的数学模型,利用多参数拟合方法得出薄膜的热导率与界面传热系数。应用该方法测量了柔性基体碳纳米管阵列样品的热物性参数。最后,研究了碳纳米管阵列作为热界面材料在振动器件表面的力学响应与散热特性。以典型的压电变压器为例,比较了三种不同散热装置情况下的工作特性,包括温升、功率传递效率与器件功率密度之间的关系。结果显示配备碳纳米管阵列的热界面材料,压电变压器获得更低的温升与更高的功率传递效率。同时利用光热反射技术对碳纳米管阵列在压电变压器界面的热物性参数进行了测量,得出热导率高于传统的聚合物材料的结论。另外,研究结果表明碳纳米管阵列减少了振动器件表面电极在接触散热时候的微动摩擦损耗。配备有碳纳米管阵列的压电变压器经过120天的连续工作测验,器件的表面电极无明显的磨损,大大提高的器件的寿命。同时对于碳纳米管阵列抗磨损特性进行了一定的力学分析。
【图文】：

碳纳米管（Ｃａｒｂｏｎ邋ｎａｎｏｔｕｂｅ，简称ＣＮＴ）的发现归功于日本科学家Ｉｉｊｉｍａ邋（饭逡逑岛澄男）。早在１９９１年，他利用高分辨透射电镜，第一次观察到ＣＮＴ的结构⑴。逡逑如图１．１所示，碳纳米管犹如单石墨烯片层卷曲而成，总体表现为一维管状结构，逡逑它与准零维结构的富勒烯，二维的石墨烯，三维结构的石墨、金刚石共同组成形逡逑态丰富的碳材料家族（图１．２）。逡逑图ｉ．ｉ单壁碳纳米管与石墨烯的结构逡逑＃＿■！！逡逑０维富勒烯逦１维碳纳米管逦２维石墨烯逡逑３维石墨逦３维金刚石逡逑图１．２多维碳材料家族逡逑理想的碳纳米管结构中的碳原子之间主要采用ｓｐ２杂化键合。但它并不是－逡逑个完全的平面，六边形结构存在一定的空间弯曲，故它的化学键同时具备ｓｐ２和逡逑）逡逑

ｓｐ３混合杂化状态。碳纳米管分为单壁碳纳米管（ＳＷＣＮＴ）和多壁碳纳米管逡逑（ＭＷＣＮＴ），这是由它结构中的壁数决定的。ＭＷＣＮＴ的层与层之间无化学键，逡逑通过范德华力作用结合。图１．３是一个典型的三壁碳纳米管结构示意图。逡逑图丨．３三壁碳纳米管结构逡逑单壁碳纳米管的直径很小，通常在以上，３ｎｍ以下ＨＡ如图丨．４所示。逡逑ＩＫ逡逑图１．４单壁碳纳米管的透射电子显微镜（ＴＥＭ）成像逡逑而多壁碳纳米管根据层数的不等，，直径最大的可以超过ｌＯｎｎｉ。碳纳米管之逡逑所以称之为一维碳材料，是因为其长径比极大，根据制备方式的不同，它的长度逡逑可以从微米级到毫米级不等。碳纳米管被发现二十多年以来，迅速的发展成为研逡逑宄最为广泛和深入的材料之一。虽然碳纳米管未能与像富勒烯和石墨烯一样逡逑斩获诺贝尔奖，这或许正好是一个契机，不断的激发科研人员对其进行更为广泛逡逑和深入的研宄与应用。逡逑２逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O613.71;TB383.1

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本文编号：2667314