连续碳纳米管纤维性能影响因素及增强方法研究

123456aa · 发表于 2022-4-15 09:24:50

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碳纳米管（CNT）是迄今为止强度和模量最高的轻质材料，自从其被发现以来，一直是新型材料研究的热点。然而，由于碳纳米管的尺寸非常小，要想充分发挥单根碳纳米管的优异性能十分困难。连续碳纳米管纤维（CNT纤维）是由纳米级碳管材料通过组装形成的直径在微米级、长度方向连续的纤维材料。阵列纺丝法是制备具有宏观尺寸的连续碳纳米管纤维的重要技术之一，其纺丝过程简便，纤维结构和性能可设计性强，因而受到了国内外学者的高度关注，其中如何优化纺丝工艺实现CNT纤维的高性能化是十分重要的研究方向。本文采用阵列纺丝法制备连续CNT纤维，通过改变纺丝工艺，考察了直径、捻角、加热处理等因素对纤维内碳纳米管的堆积排列结构、纤维的力学性能和导电性能的影响，并在纺丝过程中采用不同溶剂和聚合物浸润CNT纤维，研究浸润对于纤维结构和性能的影响。为了进一步提高CNT纤维的导电性，研究了两种碳纳米管纤维的功能化方法。通过在碳纳米管纤维表面包覆石墨烯以及先将纤维阳极氧化处理再电沉积上金属的方法制备高导电的CNT纤维，并研究了这种功能性的引入对纤维结构和力学性能的影响。结果表明：纺丝工艺对CNT纤维中碳管的排列结构和致密化程度有重要影响，进而引起纤维拉伸性能和导电性的变化；通过CNT薄膜宽度改变CNT纤维直径，纤维直径在7μm至8μm时可以得到较高的碳纳米管堆积密度，从而获得较高的拉伸性能；对于致密化程度较高的乙醇浸润的CNT纤维，纤维拉伸强度和导电率随捻度增加而增大，但拉伸强度变化幅度不大。在阵列纺丝中溶剂浸润可有效地使CNT纤维致密化，其中溶剂的极性是影响浸润效果的主要因素；在CNT纤维中引入合适的聚合物后，可以通过聚合物搭接临近的碳纳米管，有利于CNT间的载荷传递，从而使纤维强度进一步提高；经热固性双马来酰胺树脂浸润并固化后，能大幅度提高碳纳米管纤维的拉伸性能，增强效果受到树脂固化温度、树脂溶液浓度的影响。通过在CNT纤维表面包覆石墨烯，发现其力学拉伸强度可提高100 MPa左右，但电导率没有明显变化规律；设计了一种集成了阵列纺丝、阳极氧化、金属沉积的复合CNT纤维连续制备装置，利用该装置实现了CNT纤维力学和电学性能的同时增强。

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