碳纳米纸及其复合材料的制备与表征

发布时间：2017-07-13 20:07

  本文关键词：碳纳米纸及其复合材料的制备与表征

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【摘要】：碳纳米管具有优异的导电性、导热性和力学强度,但由于易团聚,碳纳米管的应用受到很大限制,碳纳米纸(buckypaper,BP)的发明大大扩展了其应用范围。本文采用真空抽滤法制备了碳纳米纸,并以碳纳米纸填充聚丙烯(PP)与环氧树脂(EP)制备三明治结构的复合材料,研究了其结构与性能。首先,以三种不同结构的多壁碳纳米管(MWCNT)为原料,探究了MWCNT的分散工艺,并用真空抽滤法制备了BP,研究了MWCNT尺寸结构对碳纳米纸的结构与性能的影响。通过紫外光谱及溶液电阻的测试,确定了合适的分散工艺。悬浮液稳定性测试表明, “粗而长”与“细而长”的MWCNT稳定性较好,曲拉通X-100可以显著提高悬浮液稳定性。对碳纳米纸的性能测试结果表明, “细而长”的MWCNT,成膜性、电导率(295 S/cm)、热导率(81.4W·m-1·K-1)、机械性能(强度3.3 MPa)最好。在微观结构上,“细而长”的MWCNT制备的碳纳米纸孔径更为均匀,分布较窄。以上结果表明,“细而长”的MWCNT制备的碳纳米纸的综合性能最优。以聚丙烯与BP通过热压法制备了PP/BP复合材料,研究了复合材料的电热性能、导电性、热性能与电磁干扰屏蔽效能(EMI SE)。结果表明,PP/BP复合材料的表面温度依赖于外加电压与BP填充量大小,复合材料在外加电压下的电流随时间延长出现先增大后逐渐平衡的趋势。由于树脂的浸渍,复合材料的电导率比BP有所下降,但仍高于传统共混材料2-3个数量级,且随温度升高而逐渐增大。此外, BP的填充提高了复合材料机械性能,BP填充量为3.7 wt%时,模量与强度分别比纯PP提高了47.3%和19.7%。PP/BP复合材料在8.2～12.4 GHz(X波段)的电磁屏蔽主要依靠吸收损耗。复合材料的电磁屏蔽效能依赖于BP层的厚度,随着BP厚度增大,屏蔽效能提高。BP厚度为70 gm时,最高屏蔽效能达40 dB。通过调节BP层间距有效提高了屏蔽效能,层间距为1.5 mm时,2层BP(厚度50 μm)的复合材料屏蔽效能可达44～51 dB。以环氧树脂为基体,通过浇铸法制备了含单层或多层BP的EP/BP复合材料,研究了复合材料的微观形貌、电热性能、导电性、电磁屏蔽等性能。结果表明,BP浸渍后厚度增大了约120%,浸渍性良好。电热性能测试表明,复合材料的表面发热温度随BP厚度与外加电压增大而增大。由于树脂的浸渍,碳纳米纸的导电性下降,随温度提高,电导率先减小后增大。BP提高了环氧树脂的储能模量,填充量为10.7 wt%时,常温下储能模量为纯环氧树脂的2倍,但对玻璃化转变温度影响不大。EP/PP复合材料的电磁屏蔽效能也主要依靠吸收损耗。增大BP厚度,电磁屏蔽效能提高。此外,增加碳纳米纸层数,电磁屏蔽效能提高,5层50 μm的BP填充时,电磁屏蔽效能可以达到50 dB以上。通过合理调节碳纳米纸层的层间距,提高了复合材料的电磁效能,层间距为1.7mm时,2层碳纳米纸(厚度50μm)的屏蔽效能最高可达52 dB。
【关键词】：碳纳米管 碳纳米纸 复合材料 导电性 电磁屏蔽
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;TB33
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 引言11-12
• 1 绪论12-26
• 1.1 碳纳米管的结构与性能12-14
• 1.1.1 碳纳米管的结构12-13
• 1.1.2 碳纳米管的性能13-14
• 1.2 碳纳米管的制备方法14-15
• 1.2.1 电弧放电法14-15
• 1.2.2 激光蒸发法15
• 1.2.3 催化化学沉积法15
• 1.3 碳纳米纸制备15-18
• 1.3.1 真空抽滤法16-17
• 1.3.2 直接生长法17-18
• 1.4 碳纳米纸的结构18-19
• 1.4.1 碳纳米纸的结构分类18
• 1.4.2 碳纳米纸的结构研究进展18-19
• 1.5 碳纳米纸的性能19-21
• 1.5.1 碳纳米纸的导电性19-20
• 1.5.2 碳纳米纸的导热性20-21
• 1.5.3 碳纳米纸机械性能21
• 1.6 碳纳米纸复合材料与应用研究进展21-25
• 1.6.1 碳纳米纸复合材料21-22
• 1.6.2 储能材料领域22
• 1.6.3 电磁屏蔽与吸波材料领域22-24
• 1.6.4 传感器和生物医用材料领域24
• 1.6.5 电热材料领域24-25
• 1.7 本课题研究的内容25-26
• 2 碳纳米纸的制备与表征26-46
• 2.1 概述26
• 2.2 实验材料26-27
• 2.2.1 实验试剂26-27
• 2.2.2 实验仪器27
• 2.3 样品制备27
• 2.3.1 碳纳米管悬浮液制备27
• 2.3.2 碳纳米纸的制备27
• 2.4 结构及性能表征27-29
• 2.5 结果与讨论29-45
• 2.5.1 碳纳米管的分散性与分散工艺探究29-35
• 2.5.2 碳纳米管悬浮液的稳定性35-37
• 2.5.3 碳纳米管的成膜性与微观形貌37-39
• 2.5.4 碳纳米纸的孔隙率、电导率与热导率39-40
• 2.5.5 碳纳米纸的机械性能测试40-41
• 2.5.6 碳纳米纸的孔径结构41-45
• 2.6 小结45-46
• 3 聚丙烯/碳纳米纸复合材料的制备与表征46-66
• 3.1 概述46
• 3.2 实验材料46-47
• 3.2.1 实验试剂46
• 3.2.2 实验仪器46-47
• 3.3 样品制备47-48
• 3.4 结构与性能表征48-49
• 3.5 结果与讨论49-64
• 3.5.1 聚丙烯/碳纳米纸复合材料的制备压力选择49-50
• 3.5.2 聚丙烯/碳纳米纸复合材料的形貌观察50
• 3.5.3 聚丙烯/碳纳米纸复合材料的电热性能50-56
• 3.5.4 聚丙烯/碳纳米纸复合材料的导电性56-57
• 3.5.5 聚丙烯/碳纳米纸复合材料的机械性能57-58
• 3.5.6 聚丙烯/碳纳米纸复合材料的结晶性与热稳定性58-59
• 3.5.7 聚丙烯/碳纳米纸复合材料的电磁屏蔽性能59-64
• 3.6 小结64-66
• 4 环氧树脂/碳纳米纸复合材料制备与表征66-83
• 4.1 概述66
• 4.2 实验原料66-67
• 4.2.1 实验试剂66
• 4.2.2 实验仪器66-67
• 4.3 环氧树脂/碳纳米纸复合材料的制备67-68
• 4.4 结构及性能表征68
• 4.5 结果与讨论68-81
• 4.5.1 微观形貌表征68-70
• 4.5.2 环氧树脂/碳纳米纸复合材料的电热性能70-74
• 4.5.3 环氧树脂/碳纳米纸复合材料的导电性74-75
• 4.5.4 环氧树脂/碳纳米纸复合材料的机械性能75-76
• 4.5.5 环氧树脂/碳纳米纸复合材料的电磁屏蔽效能76-81
• 4.6 小结81-83
• 结论83-84
• 参考文献84-93
• 攻读硕士学位期间发表学位论文情况93-94
• 致谢94-95

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