碳纳米材料的性能及应用作业

碳纳米材料的性能及应用作业（通用9篇）

篇1：碳纳米材料的性能及应用作业

碳纳米材料的性能及应用 Z09016114 蔡排枝

摘要:纳米材料被誉为21世纪的重要材料,而作为新型纳米材料的碳纳米材料因其本身所拥有的潜在优越性,在化学、物理学及材料学领域具有广阔的应用前景。本文依据目前碳纳米材料的研究发展现状,阐述了碳纳米材料碳60、碳纳米管及石墨烯的结构性能,并对其应用特性进行了初步探讨和分析。

一.引言

碳纳米材料是指材料微观结构在0-3维内其长度不超过100nm;由碳原子组成,材料中至少有一维处于纳米尺度范围0-100nm;具有纳米结构。它有四种基本类型:a.纳米粒子原子团如C 60(零维 b.碳纳米纤维和碳纳米管(1维 c.碳纳米层或膜材料石墨烯(2维 d.块体纳米材料如金刚石(3维。

由于碳纳米材料的独特结构,使其具有不同于常规材料和单个分子的性质如量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等,从而导致了碳纳米材料的力学性能、电磁性能、光学性能、热学性能等的改变,并使之在电子学、光学、化工陶瓷、生物、医药、日化诸多方面有重要价值,得到广泛的应用。由于石墨,金刚石并不是常用的碳纳米材料。

碳纳米材料中,目前应用最成熟的就是碳纳米管。碳纳米管是一种具有独特结构的一维量子材料,由石碳原子层卷曲而成,管直径一般为几纳米到几十纳米,管厚度仅为几纳米,长度可达数微米。由于拥有潜在的优越能,碳纳米管无论在物理、化学还是在材料科学领域都将有大发展前景。比如在材料科学领域,碳纳米管的长度是直的几千倍,被称为“超级纤维”,其性质随直径和螺旋角的同有明显变化。近年来,美国、日本、德国和中国等国家相成立了纳米材料研究机构,使碳纳米管的研究进展随之加快并在制备及应用方面取得了突破性进展。

二.碳纳米材料的性能

2.1 C60的主要性质及应用

C60具有缺电子烯的性质,同时它又兼备给电子能力,六元环间的6:6双键为反应的活性部位,可发生诸如氢化、卤化、氧化还原、环加成、光化与催化及自由基加成等多种化学反应,并可参与配合作用。C60在超导、磁性、光学、催化、材料及生物等方面表现出优异的性能,对它的研究已广泛开展。

(1超导体

超导现象是大约10年前第一次在一种电子搀杂的富勒烯C60中发现的。C60分子本身是不导电的绝缘体,但当碱金属嵌人C60分子之间的空隙后,C60与碱金属的系列化合物将转变为超导体如K3C60即为超导体,且具有很高的超导临界温度。

(2光学特性

由于C60分子中存在的三维高度非定域(电子共轭结构使得它具有良好的光学及非线性光学性能。C60光激发后很容易形成电子一空穴对从而产生光电子转移,C60还具有较大的非线性光学系数和高稳定性等特点,可以预计C60将是很好的光电导材料、新型非线性光学材料,有望在光计算、光记忆、光信号处理及控制等方面有所应用。

(3功能材料的制备

由于C60特殊笼形结构及功能,将C60作为新型功能基团引入高分子体系,得到具有优异导电、光学性质的新型功能高分子材料。将富勒烯丰富的电子和电化学性质与富电子的过渡金属配合物Ru—bipy,Ru—terpy,二茂铁等电活性物种结合可用于新型分子电子器件的制备。华中科技大学刘晓国等人将纳米富勒烯与丙烯酸(酯单体在引发剂作用下共聚,用该聚和物与有机胺中和成盐使其水性化,制得水溶性纳米富勒烯一丙烯酸(酯高分子成膜材料,发现富勒烯对丙烯酸(酯聚和物具有独特的成膜改性功能。

(4新型催化剂

C60分子的电子亲和力较高(2.6—2.8 ev易于通过分子内或分子间的电子授受作用而发生氧化还原反应, 因此多数富勒烯或其衍生物的金属配合物均具有良好的催化性能,如C60Pdn 可在常温下催化苯乙炔的氢化, C60Pt(H h32、C60Pm对端烯烃的硅氢加成有良好的催化活性。

(5生物活性材料

Friedman 等人报道了水溶性二氨基二酸二苯基C60衍生物的合成方法,并证明它有抑制HIVP活性的功效,而艾滋病研究的关键是有效抑制的活性。Nakajima等人将他们合成的带聚乙二醇的C60~t 生物与 HelaS3 细胞共同培养并用光照射,结果呈现细胞毒性。

2.2 碳纳米管的结构性能及应用

由碳原子形成的石墨烯片层围成的一种管状结构,而且它们的直径很小,基本都在纳米尺度,所以称其为纳米碳管。在理想情况下,仅仅包含一层石墨烯的纳米碳管称为单壁纳米碳管。包含两层以上石墨烯片层的纳米碳管称为多壁纳米碳管,片层之间的距离为0.34-0.36nm。

碳纳米管是指由类似石墨的六边形网格组成的管状物,可以看作是石墨片层绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成。管子一般由单层或多层组成,相应的纳米碳管就称为单壁纳米碳管(SWNT和多壁纳米碳管(MWNT。碳纳米管的直径在几微米到几十纳米之间,长度可达数微米,因此有较大的管径比。资料表明:碳纳米管的晶体结构为密排六方(hcp , a = 0.24568nm, c = 0.6852nm, c / a = 2.786,与石墨相比,a 值稍小而c 值稍大,预示着同一层碳管内原子间有更强的键合力,碳纳米管有极高的同轴向强度。多壁碳纳米管存在三种类型的结构,分别称为单臂纳米管、锯齿形纳米管和手性纳米管。

碳纳米管具有很高的杨氏模量和抗拉强度,杨氏模量估计可高达5TPa;同时碳纳米管还具有极高的韧性,十分柔软。碳纳米管的导电性与本身的直径和螺旋度有

关,随着这些参数的变化可表现出导体或半导体性质.碳纳米管管壁在生长过程中有时会出现五边形和七边形缺陷,使其局部区域呈现异质结特性.不同拓扑结构的碳纳米管连接在一起会出现非线性结效应,有近乎理想的整流效应.在室温条件下,碳纳米管能够吸收较窄频谱的光波,能以新的频谱发射光波,还能发射与原来频谱完全相同的光波。可以有以下的应用。

(1纳米电子学方面

作为典型的一维量子输运材料,用金属性单层碳纳米管制成的三极管在低温下表现出典型的库仑阻塞和量子电导效应.碳纳米管既可作为最细的导线被用在纳米电子学器件中,也可以被制成新一代的量子器件.碳纳米管还可用作扫描隧道显微镜或原子力显微镜的探针。碳纳米管还为合成其它一维纳米材料的控制生长提供了一种模板或框架,碳纳米管在高温下非常稳定,利用碳纳米管的限制反应可制备其它材料的一维纳米结构.这一方法用于制备多种金属碳化物一维纳米晶体和制备氮化物的一维纳米材料。在硅衬底上生长碳纳米管阵列的工艺与现行的微电子器件的制备工艺完全兼容,这就为碳纳米管器件与硅器件的集成提供了可能。美国IBM公司于2001年用单分子碳纳米管成功制成了当时世界上最小的逻辑电路。美国IBM 于2002年成功开发出了当时最高性能的碳纳米管晶体管,比当时用硅制成的最先进的晶体管的速度还要快.(2信息科学方面

碳纳米管可制作碳纳米管场致发射显示器碳纳米管的顶端很细,有利于电子的发射,它可用做电子发射源,推动场发射平面显示发展.实验证明在硅衬底上可生长规则的碳纳米管阵列,采用蒸发和掩膜技术在硅表面形成铁的薄膜微观图形,利用乙烯做反应气体,在适当的反应条件下,碳纳米管可垂直于衬底表面生长,形成规则的阵列,阵列的形状由衬底上铁膜的微观图形决定.这种碳纳米管阵列的一个可能的直接应用是场发射平面显示.西安交通大学朱长纯教授领导的研究小组采用新的技术,引导碳纳米管有序、定向地生长在导电的硅片衬底上引,并且进一步研制出功能完备的场发射像素管0训,由于其纯度高、有序性好,场发射性能也大为提高。和传统显示

器比,这种显示器不仅体积小,重量轻,大大省电,显示质量好,而且响应时间仅为几微秒,从零下45℃到零上85℃都能正常工作.(3能源方面

由于碳纳米管具有独特的纳米级尺寸和空心结构,有较大的比表面积,比常用的吸附剂活性炭有更大的氢气吸附能力,非常适合作为储氢的材料.碳纳米管在储氢率方面有明显的优势,加之碳材料的价格低廉,化学性能稳定,密度较小,CNT 储氢的应用前景很好。中科院金属研究所青年研究员成会明博士研究小组, 在单壁纳米碳管的储氢研究方面取得显著成果,他们采用等离子体氢电弧法半连续大量制备出高质量单壁纳米碳管,其纯度高,纳米碳管的直径较粗.在室温下获得优异储氢性能,储氢量达4Wt%以上,其中约四分之三的储量可在室温和常压下放出.(4材料方面应用

碳纳米管的强度约比钢高100多倍,而比重却只有钢的1/6;同时碳纳米管还具有极高的韧性,十分柔软。它被认为是未来的“超级纤维”,是复合材料中极好的加强材料。目前已经用于纳米结构复合材料和混凝土的强化.对碳纳米管可控制生长技术、表征技术和应用的深入研究将会促进纳米科学和技术的发展,有助于发现新的效应,发展新的器件,以至于形成新的产业。

(5制备纳米材料的模板

一维纳米中空孔道赋予了纳米碳管独特的吸附、储气和浸润特性。根据理论计算,中空的纳米碳管具有毛细作用,纳米碳管为模板制备其它纳米线的研究工作。以纳米碳管为基础,利用它的中空结构和毛细作用可制备其它纳米结构。对纳米碳管进行B、N等元素掺杂已获得了一系列新型纳米管。以纳米碳管为母体,通过气相反应方法可以制备出SiC、GeO2、GaN等多种纳米棒以及各种金属的

纳米线。这些新的一维纳米材料的出现,必将对纳米材料的研究和发展产生积极的影响。

(6催化剂载体

纳米材料比表面积大,具有特殊的电子效应和表面效应。如气体通过纳米碳管的扩散速度为常规催化剂颗粒的上千倍,担载上催化剂后可极大地提高催化剂的活性和选择性,使其在加氢、脱氢和择型催化等反应中具有很大的应用潜力。

(7复合材料增强相

碳纳米管还有非凡的力学性质。理论计算表明,碳纳米管应具有极高的强度和极大的韧性。由于碳纳米管中碳原子间距短、单层碳纳米管的管径小,使得结构中的缺陷不易存在,因此单层碳纳米管的杨氏模量据估计可高达5太帕,其强度约为钢的100倍,而密度却只有钢的1/6。因此,碳纳米管被认为是强化相的终级形式,人们估计碳纳米管在复合材料中的应用前景将十分广阔。

(8纳米器件

纳米碳管的电学性质与其结构密切相关。就其导电性而言,由于纳米碳管直径和螺旋角不同,可以是金属性的,也可以是半导体性的,甚至在同一根纳米碳管上的不同部位,由于结构的变化,也可以呈现出不同的导电性。纳米碳管中存在大量未成对电子,但其在纳米碳管中的径向运动却受到限制,表现出典型的量子限域效应;而电子在轴向的运动不受任何限制。因此,可以认为纳米碳管是一维量子导线。利用催化热解法成功地制备了纳米碳管-硅纳米线,测试表明,这种金属-半导体异质结具有二极管的整流作用。当一个金属性单层纳米碳管与一个半导体性单层纳米碳管同轴套构而形成一个双层纳米碳管时,两个单层管仍分别保持原来的金属性和半导体性,利用这一特性可制造具有同轴结构的金属-半导体器件。

纳米碳管的电学性能和所处气氛有关,在不同气体气氛下,其电阻会发生改变,根据这一现象有可能把纳米碳管用作体积很小而灵敏度极高的化学传感器。纳米碳管具有优异的场发射性能,而且在空气中稳定同时具有较低工作电压和大的发射电流等优点,直径细小的纳米碳管可以用来制作极细的电子枪,在室温及低于80伏的偏置

电压下,即可获得0.1~1微安的发射电流。有望在新一代冷阴极平面显示器中得到应用。

2.3 石墨烯的主要性质及应用

石墨烯除了有特殊的结构外,还具有一系列独特的性质。最显著的是它的导热性和机械强度。石墨烯本身就是一个良好的导热体,可以很快地散发热量,而电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力,所产生的热量也非常少;而它的强度可以和碳纳米管相媲美,理想强度可达110--130 GPa[6j。理想的单层石墨烯具有超大的比表面积(2 630m2/g17j,是很有潜力的储能材料;同时石墨烯又是一种非常优异的半导体材料,具有比硅高很多的载流子迁移率(2×105cm2/V,因为即使在室温下载流子在石墨烯中的平均自由程和相干长度也可为微米级。石墨烯还是目前已知在常温下导电性能最优秀的材料,电子在其中的运动速度远远超过了一般导体,达到了光速的1/300;这一特性使其在纳电子元件、传感器、晶体管及电池中有着巨大的应用前

景。石墨烯还具有良好的透光性,是传统 IT0 膜潜在替代产品。石墨烯可应用在以下方面。

(1锂离子电池中的应用

石墨烯作为电池电极材料以提高电池效率有着诱人的应用前景。单层或者多层石墨烯在锂离子电池里的应用潜力引起了各国学者的极大关注。Yoo 等人对应用于锂离子二次电池负极材料中石罢烯的性能进行了研究,发现其比容量可以达到540 mAh/g。如果在其中掺入C60 和碳纳米管后,负极的比容量分别可达784mAh /g和730mAh/g,Khan ~tha等人通过理论计算讨论了石墨烯的储锂机理。

(2计算机芯片材料中的应用

马里兰大学物理学家的研究表明,未来的计算机芯片材料中石墨烯可能取代硅。石墨烯具有远高于硅的载流子迁移率,并且从理论上说,它的电子迁移率和空穴迁移率两者相等.因此其 n 型场效应晶体管和 P 型场效应晶体管是对称的,因为其还具有零禁带特性,即使在室温下载流子在石墨烯中的平均自由程和相干长度也可为

微米级,所以它是一种性能非常优异的半导体材料.专家指出硅基芯片在室温条件下的速度是有限的,很难再大幅提高;而电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力,所产生的热量也非常少,且石墨烯本身就是一个良好的导热体,可以很快地散发热量,由石墨烯制造的集成电路运行的速度将要快得多.据估计用石墨烯器件制成的计算机的运行速度可达到lT(1012Hz ,即比现在常见的 1G(109的计算机快1000 倍.(3减少纳米元件噪声领域的应用

普通的纳米元件随着尺寸越来越小,电噪声(电荷在材料中反弹导致各种各样的干涉,会变得越来越大,这种关系被称为“豪格规则 Hogue’Slaw”.因此,如何减小噪声成为实现纳米元件的关键问题之一。美国蚴司[25-27J宣布,通过一层叠加在另一层上面的双层石墨烯来构建晶体管时,发现可大幅降低纳米元件特有的噪声。虽然这离其商品化生产还甚遥远,还有不少难题要克服,但降低噪声是石墨烯晶体管研制过程中迈出的重要一步。

三、总结

随着研究的不断深入,碳纳米材料的优异性能和潜在价值被逐步发掘出来,而其在复合材料、纳米器件、储氢材料,量子计算机以及超灵敏传感器等领域也受到了越来越多的关注。当前碳纳米材料的研究还主要集中在基础研究方面,如何大规模制备碳纳米材料如碳纳米管,石墨烯人是未来的一个研究重点。相信在不远的将来,碳纳米材料会给人类的生活,生产实践带来巨大的变化。

参考文献

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篇2：碳纳米材料的性能及应用作业

高温处理对液相气化沉积碳/碳复合材料微观组织结构及力学性能的影响

对用快速液相气化法制备的碳/碳复合材料进行了石墨化处理;用X-ray衍射技术和扫描电子显微镜对高温处理前后材料的微观组织结构及断口形貌进行了研究观察;分析了影响石墨化前后微观结构、力学性能变化及断裂失效模式的因素及机理.结果表明:经石墨化处理后,d002 值降低,Lc值升高,弯曲强度σf大幅度降低,层间剪切强度ILSS升高,但随热处理温度提高,ILSS值有降低趋势.

作 者：孙万昌 李贺军 张秀莲 作者单位：西北工业大学,材料科学与工程学院,陕西,西安,710072刊 名：航空学报 ISTIC EI PKU英文刊名：ACTA AERONAUTICA ET ASTRONAUTICA SINICA年，卷(期)：200223(3)分类号：V257关键词：碳/碳复合材料 力学性能 石墨化处理 快速致密化 断裂行为 界面强度

篇3：碳纳米材料的性能及应用作业

对碳纳米管进行氮掺杂是拓展其应用领域的有效手段之一,氮掺杂不仅可以改善碳纳米管的分散性,而且可有效控制碳纳米管晶体结构和电子结构,获得优于纯碳纳米管的物理化学性能[7]。碳纳米管依据手性和直径不同呈现出不同的导电率[8],通过在碳纳米管中进行异质原子掺杂,可改变碳纳米管的局部电荷密度,提高其电子传递性,降低电阻系数[9]。同时,对碳纳米管进行氮掺杂增强了其表面活性,促使金属与碳纳米管间更好的浸润性和结合强度。研究表明,由氮掺杂碳纳米管负载的金属纳米颗粒可实现更高的金属分散程度和稳定性[10,11]。而对于碳纳米管/金属基复合材料,氮掺杂碳纳米管的应用研究鲜见报道。本工作采用化学气相沉积法合成出氮掺杂碳纳米管,研究了其对铝基复合材料力学和电学性能的增强作用,探讨了氮掺杂碳纳米管在金属基复合材料中的应用性。

1 实验材料与方法

实验中使用的化学试剂主要购自国药集团化学试剂有限公司;球形纯铝粉是由河南省远洋铝业有限公司生产,粒径为10~20μm,纯度>99.9%。

氮掺杂碳纳米管的制备过程同文献[12],将适量的镍/硅藻土催化剂装入石英管反应室,排净空气后开始升温至850℃,通入H2和Ar作为保护气体,并将吡咯蒸汽缓慢通入反应室中,同时通入流量分别为60mL/min和30mL/min的乙炔气体进行反应,以生成不同氮含量的氮掺杂碳纳米管(N-CNTs)。待反应结束后,使用HF浸泡反应产物以去除催化剂载体,并经H2O2和稀HCl过滤洗涤,尽可能去除碳纳米管中的催化剂杂质和无定型碳,得到的氮掺杂碳纳米管分别记为N-CNTs-1 和N-CNTs-2。采用相同工艺,在通入保护气体后直接通入乙炔气体进行反应,此未进行氮掺杂的碳纳米管记为CNTs。碳纳米管和铝混合粉末的制备采用预先吸附后机械球磨混合的方法[13]。取一定量上述N-CNTs超声分散于乙醇溶液中,再加入称量好的铝粉,搅拌混合均匀后静置一段时间,过滤出沉降后的铝粉,并置于真空干燥箱内烘干,其中碳纳米管的质量分数为2%;将吸附了N-CNTs的铝粉置于行星球磨机的真空球磨罐中进行球磨混合,球料比为10∶1,转速为400r/min,球磨时间分别为3h,得到N-CNTs和铝粉的混合粉末。 随后,将混合粉末于590℃下保温热压5h,压力恒定为10t。烧成的坯体置于400℃模具中,使用液压机以16∶1的挤压比挤压成棒材,所获得的N-CNTs增强铝基复合材料记为N-CNTs-1/Al或N-CNTs-2/Al。为了进行性能比较,采用上述同样的制备工艺,制备出纯铝和CNTs/Al材料,以及碳纳米管添加量为1%的N-CNTs-1/Al和N-CNTs-2/Al复合材料。

采用透射电子显微镜(TEM)对碳纳米管进行形貌分析,取一滴碳纳米管的溶液滴到铜网上晾干后,用于TEM观察。X射线光电子能谱(XPS)测试是在Kratos AXIS Ultra DLD型X射线光电子能谱仪上完成,采用Al Kα为激发源,电压为15kV,电流为10mA。碳纳米管和铝混合粉末的表面微观形貌采用场发射扫描电子显微镜(SEM)观察。 按照GB/T228—2002对复合材料进行力学性能测试,将碳纳米管/铝基复合材料的挤压棒材加工成直径5mm,标距段长度为30mm的拉伸试样,应变速率为1×10-3s-1。碳纳米管/铝基复合材料的导电性能测试采用Fischer电导率测试仪,并换算成20℃的电导率(参比于标准退火纯铜导电率,IACS)。每种样品分别测试得到4组数据,对测试结果取均值和标准差。

2 结果与分析

图1为纯CNTs和N-CNTs-1的TEM照片。由于氮原子的掺杂,碳纳米管形貌发生了显著的改变,呈现出竹节状周期性多层结构。形成这种特殊结构主要是由于氮原子在石墨片中的引入,一些氮原子取代了碳原子,导致碳纳米管生长过程中锥部石墨片产生畸变能,当积累到一定程度时与顶端催化剂颗粒发生分离,畸变能得以消除。当同样的生长过程重复进行时,便形成了竹节状的结构[14,15]。如图1所示,碳纳米管的管壁表面洁净,且纯CNTs和N-CNTs具有相似的管径,约为10~20nm,因此排除了碳纳米管管径对复合材料性能的影响。相比于纯CNTs,N-CNTs中部分管壁还出现扭曲褶皱现象,这与氮在碳纳米管生长过程中的作用有关[16]。氮原子参与到碳纳米管成键中,破坏了碳纳米管原有平直状结构,使得碳纳米管改变生长方向,出现更多缺陷而变得粗糙。在碳纳米管与铝基体复合过程中,粗糙的N-CNTs管壁增大了与铝基体的接触面积,且缺陷处倾向于与铝发生化学反应[17],从而增强了两者间的界面结合。

(a)CNTs;(b)N-CNTs-1(a)CNTs;(b)N-CNTs-1

图2示出N-CNTs-1 和N-CNTs-2 的XPS能谱图,并对N1s芯电子能级XPS谱进行分峰拟合。从图2可看出,C1s和N1s峰分别位于285eV和400eV左右处,对XPS图谱中C1s和N1s峰的面积进行积分计算,可知N-CNTs-1和N-CNTs-2中氮掺杂浓度分别为2.3%和3.1%。测得的N1s芯电子能级XPS谱中存在3 个主要峰值,其结合能分别位于398.9,400.4eV和404.8eV处[12],对应于吡啶式、吡咯式和石墨式的氮原子形态[18]。其中,吡啶式氮为氮原子仅贡献出1个p电子与碳原子成键;吡咯式氮是有两个p电子参与到 π* 轨道的成键中;而石墨式氮则对应于氮原子其他形式的化学键合态[19]。

以吡咯作为氮源,通过化学气相沉积法成功合成出N-CNTs,再采用粉末冶金法将其与铝基体进行复合,制备出氮掺杂碳纳米管/铝基复合材料。图3为碳纳米管吸附于铝颗粒表面,以及机械球磨混合后粉末的SEM照片。由于氮掺杂显著改善了碳纳米管的物理化学性质,使其具有更好的分散特性和吸附能力[20]。对比图3(a)和3(c)可以看出N-CNTs-1更加均匀地吸附于铝粉颗粒表面,且碳纳米管间无明显的团聚现象。在之后的球磨过程中,由于钢球的强烈撞击作用促使铝粉末发生塑性变形,粉末颗粒发生焊合长大,由原来的球状变成了片状结构,片状的铝粉体在层叠过程中将碳纳米管嵌入到铝颗粒中。从图3(b),(d)中并未看见明显的碳纳米管露出,这与文献报道的结果一致[21]。

对碳纳米管和铝混合粉末进行了Raman光谱表征,如图4所示。由图4可见,在1340cm-1(D峰)和1605cm-1(G峰)左右存在两个特征峰,其中D峰与二维平面边缘具有悬键的无规则碳原子有关,反映了石墨层无序结构特征;G峰对应于石墨E2g振动模式,显示了原始石墨结构特征。通过对比碳纳米管Raman光谱中D峰与G峰的积分强度比值(ID/IG),可判断出碳纳米管的石墨化程度和结构完整性。初始CNTs,N-CNTs-1和N-CNTs-2的ID/IG值分别为0.98,1.21和1.42,且氮掺杂后D峰和G峰均发生宽化,两个峰出现重叠现象,说明随着氮原子的引入,碳纳米管的缺陷增多[22]。混合粉末经过机械球磨之后,碳纳米管Raman光谱中ID/IG值增大。对于较高氮含量的N-CNTs-2 与铝混合粉末,其ID/IG值为1.89,高于球磨后N-CNTs-1 的ID/IG值1.56。在机械球磨过程中,由于球磨介质与碳纳米管以及碳纳米管与铝颗粒之间的机械作用,N-CNTs-2更易出现截断和开口,同时管壁内外产生大量缺陷,并继之发生破裂,碳纳米管的化学稳定性受到了影响[17]。

图5示出了纯铝、2%CNTs/Al和2%N-CNTs/Al材料的抗拉强度和电导率。在力学性能方面,由于碳纳米管的强化作用,2%CNTs/Al复合材料的力学性能较纯铝材料提升了约60%。George等[23]提出了热错配、Orowan强化和剪切滞后等模型,很好地解释了碳纳米管/铝基复合材料的强化机制。 相比于CNTs/Al复合材料,N-CNTs/Al呈现出更高的力学性能,由N-CNTs-1和N-CNTs-2增强铝基复合材料的极限抗拉强度分别达到302MPa和316MPa。本研究中,N-CNTs比纯CNTs具有更好的分散特性,其预先被吸附到铝颗粒表面,并经机械球磨后嵌入到铝基体中,这一过程对碳纳米管的损伤较小且能达到很高的碳纳米管分布均匀程度。同时,N-CNTs与铝金属的浸润性得到明显改善,强化了N-CNTs与铝基体的界面结合,从而保证载荷的有效传递。在电学性能方面,纯铝和CNTs/Al材料的电导率相当,为58.2%IACS,且低于铸态纯铝的60% ~61%IACS[24],这可能归因于机械球磨过程中铝金属表面氧化和更小的晶粒尺寸。此外,N-CNTs/Al复合材料在力学性能提高的同时,电导率也获得了一定程度的提升,N-CNTs-1/Al和N-CNTs-2/Al复合材料的电导率为58.8%IACS。现有文献中,对于碳纳米管/铝基复合材料导电率的研究报道很少,且大多呈导电率下降的趋势[25,26],可能原因是所使用的碳纳米管的纯度和电导率较低,复合材料导电性能对碳纳米管在基体中的存在状态非常敏感。而通过对碳纳米管进行氮掺杂,可改变碳纳米管的能带结构,提高其电子传递性[27,28]。N-CNTs分布至铝晶体内或晶界间将起到“桥接”作用,使得电子在碳纳米管内腔传输[3],减少界面等对电子的散射,提高铝基复合材料的电导率。对比不同氮掺杂含量N-CNTs增强的铝基复合材料,当氮含量增大时,N-CNTs在铝基体中的分散程度及其与铝间的相容性得到进一步改善[29],从而有利于复合材料力学和电学性能的提高,但由于高氮含量的N-CNTs可能存在较多缺陷而与铝反应产生较多脆性碳化物,增大了对电子的散射。

表1为纯铝和不同碳纳米管添加量的铝基复合材料的抗拉强度、断裂伸长率和电导率。从表1中数据可以看出,随着碳纳米管含量的增加,碳纳米管的氮掺杂效应更加明显,复合材料的强度显著提升而塑性呈下降趋势。在碳纳米管的添加量为1% 时,CNTs/Al和N-CNTs-1/Al复合材料的抗拉强度相对于纯铝分别提高了约34%和72%;相应地,复合材料的断裂伸长率较纯铝分别下降了16%和24%。而在碳纳米管的添加量为2%时,较纯铝CNTs/Al复合材料的抗拉强度提高了约60%,伸长率则降低了40%;N-CNTs-1/Al复合材料的抗拉强度提高了101%,断裂伸长率则降低了49%左右。另一方面,对于CNTs/Al复合材料,随着碳纳米管添加量不断提高,复合材料的电导率变化不大。对于N-CNTs-1/Al复合材料,在碳纳米管的添加量为1%时,复合材料的电导率达到最大值,为60.1%IACS,但进一步提高碳纳米管添加量时,复合材料的电导率呈现明显下降趋势,这可归因于氮掺杂改善了碳纳米管电子输送特性和增大了缺陷程度的竞争作用。

图6为N-CNTs-1/Al复合材料经拉伸测试后断口的SEM照片。由图6 可见,复合材料的断口呈现出具有典型韧性断裂特征的韧窝和撕裂棱,韧窝的直径在0.3~0.8μm。在拉伸过程中,碳纳米管从韧窝处断裂,并没有观察到碳纳米管从基体中拔出的现象,说明了碳纳米管与基体金属间存在很高的结合强度,这与氮掺杂改善了碳纳米管与铝界面的相容性有关。王昆鹏等[30]通过第一性原理计算表明,由于掺氮的碳纳米管中形成了多电子状态,在费米能级附近半满的施主能级有利于填充铝的价电子,从而改善了铝在碳纳米管外壁的界面结合性。此外,氮掺杂碳纳米管表面的弯折和不平整,产生相互锁定的微观力,可以增加碳纳米管与铝基体之间的结合力[31]。在N-CNTs/Al复合材料中,碳纳米管起到了桥接及强化作用,从而大幅提高复合材料的极限抗拉强度。

图6 N-CNTs-1/Al复合材料拉伸断口的SEM(a)和放大SEM(b)照片Fig.6 SEM(a)and magnified SEM(b)micrographs of tensile fracture for the N-CNTs-1/Al composite

3 结论

(1)以吡咯作为氮源,成功合成出了竹节状周期性多层结构的N-CNTs,其中氮原子主要以吡啶式、吡咯式和石墨式形态存在。

(2)将N-CNTs吸附到铝粉末颗粒表面,并经过机械球磨混合和真空烧结工艺,制备出了碳纳米管/铝基复合材料。相比于CNTs/Al,N-CNTs/Al复合材料的力学性能和电导率均得到进一步地增强,这可归因于N-CNTs更佳的分散度和电子输运特性,以及与铝基体间相容性的提高。

(3)通过氮原子掺杂改变了碳纳米管的晶体结构和电子结构,提高了其在金属基复合材料中的应用性。

摘要：采用化学气相沉积法合成出氮原子掺杂的碳纳米管,再将其与铝基体进行复合制备出碳纳米管/铝基复合材料。运用TEM和XPS研究氮掺杂碳纳米管的结构形貌和掺杂形态,并对碳纳米管/铝基复合材料的力学和电学性能进行研究与分析。结果表明:碳纳米管呈现出竹节状周期性多层结构,且成功掺杂氮原子。与纯碳纳米管相比,基于氮掺杂碳纳米管的铝基复合材料具有更高的抗拉强度和电导率。由于氮原子的引入,改善了碳纳米管的分散度和浸润性,提升了其电子传递效率,从而更有利于其在金属基复合材料中的应用。

篇4：碳纳米材料的性能及应用作业

关键词：雾封层；防水抗油剂；构造深度；摩擦系数

中图分类号：TS198.13 文献标识码：A 文章编号：1000-8136(2009)35-0022-02

本课题组通过试验研究研制了一种沥青路面防水抗油剂，能够迅速渗透进人沥青面层的空隙中，将空隙堵住，形成一道密实的防水层，阻碍水分下渗，从而提高沥青混凝土的水稳定性，消减空隙率偏大对沥青路面造成的负面效应，主要用于沥青路面预防性养护雾封层施工。为了验证该材料的性能，本课题组选择了京承高速公路K0+000～K0+200段200m长的试验路段进行路面的防水抗油剂雾封层处理。

原SMA-16沥青路面处于基本完好时期，但路面开始出现疲劳龟裂、损失细骨料的现象，如果在这一时期不进行及时处理，会导致网裂、龟裂、坑洞等路面破坏。由于京承高速试验段处交通量大，为了不影响其正常通行，施工时间安排在0：00-5：00，凌晨5点开放交通。施工温度：环境温度26℃，地表温度为30℃。

1 防水抗油剂性能及指标

防水抗油剂是一种有机硅路面养护材料，由硅树脂溶液、渗透剂和增黏剂组成，是一种无色液体，密度为0.91gcm³，渗透性能良好。具有与沥青黏结性强、防水效果好、使用方便、无毒害、不污染环境等特点。

该材料以Si-O-Si为分子主链，是一种具有高度交联结构的交联型高聚物。硅原子上连接有甲基、乙氧基等有机基团，兼顾了无机材料与有机树脂的双重特性，因此具有许多优良的性能。如耐氧化、耐候、耐油、防紫外老化、憎水、耐热、耐寒等。

(1)耐热性：常温下，防水抗油剂固化成膜后。具有较高的分解温度，在100℃下长期使用不分解、不变色。短时间内甚至可以承受200℃的高温。

(2)耐寒性：由于硅氧烷链具有优异的低温柔顺性。因此防水抗油剂具有较好的耐寒性，可在－25℃下使用。能经受－20℃～20℃的冷热反复作用。

(3)耐候性：防水抗油剂固化成膜后，对紫外线几乎不吸收，即使在强烈的紫外光照射下，也能够耐泛黄，不起游离基反应，不发生氧化，因而具有优异的耐候性能。

(4)憎水性：由于防水抗油剂分子链中有机基团在硅氧的侧基排列，其与水的接触角可与石蜡相媲美，因此具有优良的憎水性能。

(5)耐化学试剂性：固化后的膜，具有良好的耐燃料油性能，对许多化学药品有很强的抵抗能力，可耐H²SO⁴、HNO³、HCI等强酸，对氯气和弱碱有良好的抵抗能力。

将防水抗油剂喷洒在沥青混凝土上面层时。由于其优异的渗透性，可以渗透进入沥青面层内部，固化后将内部的空隙尤其是微细空隙堵住，从而形成一道密实的防水层。由于路面空隙被堵住，因此，可以减少外界水分、空气等因素对沥青路面的路用性能的影响，提高路面的耐久性、抗水损害性、疲劳特性。其在沥青路面的主要功能如下：

(1)防渗水：防止水渗透到沥青层内，而且在多次结冰解冻后仍有防水作用，从而提高了路面的水稳定性。

(2)抗老化：有效阻碍紫外线对沥青层的辐射，避免氧气对沥青层的氧化，因此对路面老化具有延缓作用。

(3)抗油污：可有效地防止汽油等油类对沥青路面的侵蚀，延长路面的使用寿命。减少沥青路面的养护。

2施工前准备

2.1路况调查

正式施工前，必须对施工路段的所有病害进行一次细致的调查，对未处理到位的病害要重新处置，不留施工质量隐患。根据不同的路面情况，对路面的渗水系数、路面摩擦系数和构造深度进行检测，平均2点／200m，为下一步的施工作好数据准备工作，同时也可进行施工前后的数据对比，以反映施工效果。

2.2设备选择

因试验段工程量较小。总面积约3000m²，故采用半机械撒布，使用机动撒布车、喷雾器、路面清洁设备等。

2.3材料准备

防水抗油剂、橡胶粉。

3施工流程及工艺控制

(1)在清洁路面后及时对路面喷涂防水抗油剂，每平方米用量控制在350g～450g之间。

(2)喷涂时，要求均匀。无断头，无漏点，来回喷涂两遍，对已修补的特殊部位要增加喷涂量。为提高路面抗滑性能，第一次沿行车方向喷涂防水抗油剂每平方200g～250g；并在凝固前即喷洒橡胶粉粒，撒布量约10g／m²；30min～1h后在进行第二次喷涂防水抗油剂100g／m²～150g／m²封水，并将抗滑材料粘附牢固，以防散失。

(3)试验段在7月初进行，气温较高，根据路面状况，施工完毕2h后即已干燥固化，恢复了道路正常行车。

(4)为使防水抗油剂有充分的时间凝固，两次喷洒之间时间间隔为1h～6h，这主要取决于环境温度，温度较低时可适当延长时间。

4注意事项

(1)在施工喷洒过程中，整个路幅大面积喷洒时可采用乳化沥青喷洒车，局部小面积喷洒时可采用人工农用喷雾器。喷洒后的养护至关重要，应避免雨淋，养护时间其主要取决于环境温度，温度较低时可适度延长时间。

(2)施工时实行交通管制，应注意必须保持路面干净，喷涂时，施工人员要面向喷雾方向，倒退或侧身行走；防水抗油剂遇水会产生絮凝，喷洒之前确保路面干燥；当地表温度低于5℃时，不宜施工；雨天禁止施工。

(3)施工结束待防水抗油剂完全固化后开放交通。(1h～2h)

表2为施工前后试验段的构造深度、湿摩擦系数、渗水系数的参数对比。由表2可见，采用防水抗油剂施工后。对原路面构造深度影响较小。摩擦系数基本没有改变，路面的防水能力有较大改善。

5结论

从试验段的施工及应用效果可看出该材料施工工艺简单，容易控制。可采用人工雾化，工程量大时，也可采用机械撒布。防水抗油剂无色透明，对沥青路面不起着色作用，不会改变沥青路面颜色，因此不影响司机的视觉效果。

常态下防水抗油剂与沥青的粘附等级为一级，两者具有良好的黏附性；在合适的用量下，防水抗油剂可以使沥青路面的滲水系数降为零，起到很好的防水效果；防水抗油剂具有良好的渗透性，其在沥青混凝土中的渗透速率为水的3.5倍，能够渗透到水分所不能及的空隙中。

经试验段施工检验表明：防水抗油剂喷洒在沥青路面表面后可迅速渗透到沥青路面内部，溶剂挥发后在沥青内部形成无色的有机薄膜，堵住连通的孔隙，防止水分渗入沥青路面内部而实现抗水损害的要求。

篇5：碳纳米材料的性能及应用作业

利用高温裂解法,以酞菁铁为原料在不同基底(石英玻璃、硅片、氧化硅片等)上成功制备了碳纳米管定向薄膜.在扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)下观察表明,得到的薄膜由定向性良好的多壁碳纳米管(MWNTs)组成.详细讨论了反应时间等工艺参数对薄膜生长的影响,并测量了不同基底上定向碳纳米管薄膜的.场发射性质.

作 者：孙明岩 车仁超 陈清  作者单位：孙明岩,陈清(北京大学电子学系,北京,100871)

车仁超(中国科学院物理研究所,北京,100084)

刊 名：材料工程  ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF MATERIALS ENGINEERING 年，卷(期)：2003 “”(8) 分类号：O462.4 关键词：碳纳米管   高温裂解法   场发射  

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篇6：碳纳米材料的性能及应用作业

碳纳米纤维是指具有纳米尺度的碳纤维,由于碳纳米纤维直径小且导电性高,并有碳材料的固有特征和纺织纤维的柔软可加工性,因此具有非常广泛的应用,如用作催化剂和催化剂载体[1,2]、高容量电池材料[3,4,5]、高性能复合材料[6]、微细探针和场电子发射材料等方面,是航天航空、交通、体育用品、医疗器械和纺织等技术领域的新材料。

静电纺丝法是目前唯一能够直接从聚合物及复合材料制备连续纳米纤维的方法,纤维的直径在几十纳米到几微米范围内。制备碳纳米纤维的方法有多种,如模板法、电弧放电、激光汽化和化学气相沉积法等。与上述方法相比,静电纺丝具有工艺简单、环境友好和成本低廉等特点,随着静电纺丝法工艺日趋成熟,用静电纺丝大批量制备碳纳米材料并逐步实现产业化正变为一种现实[7,8,9,10]。金属掺杂碳纳米纤维在催化剂载体、电极材料及电磁屏蔽材料等领域具有潜在应用价值[11,12,13,14]。本实验以聚丙烯腈/醋酸钴(PAN/Co-(OAc)2)、聚丙烯腈/醋酸镍(PAN/Ni(OAc)2)和聚丙烯腈/醋酸铜(PAN/Cu(OAc)2)为前驱体,以N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂,通过静电纺丝法和高温碳化法相结合制备了多孔碳基复合纳米纤维,并对其结构形貌、比表面积和电导率等进行了研究。

1 实验

1.1 原料与仪器

聚丙烯腈(PAN),分子量10 万,美国诚信集团有限公司;醋酸钴(Cu(OAc)２)、醋酸镍(Ni(OAc)２)、醋酸铜(Cu-(OAc)２),国药化学试剂有限公司;N,N-二甲基甲酰胺(DMF),国药化学试剂有限公司;自制静电纺丝设备;S-4800扫描电子显微镜;Rigaku Micromax-002X射线衍射仪(R-AXIS IV++,Cu Kα,波长0.154056nm,管电压40kV,管电流40mA);ASAP 2020型吸附仪,样品测试在1×10４Pa,90 ℃的大气条件下脱气16h;四探针测试仪,样品测度尺寸为10mm×5mm。

1.2 前驱体溶液配制

称取一定量的PAN,加入DMF溶液之中,在60 ℃充分搅拌6h,直至形成透明均匀溶液,最后在PAN溶液中分别加入Co(OAc)２、Ni(OAc)２和Cu(OAc)２继续搅拌2h,并将得到的PAN/Co(OAc)２、PAN/Ni(OAc)２和PAN/Cu-(OAc)２溶液超声振荡10min,然后静置2h作为静电纺丝溶液备用,其中溶质质量分数为10%,PAN的质量分数为80%。

1.3 静电纺丝制备前驱体复合纳米纤维

将以上配制好的纺丝溶液倒入10mL注射器中,注射器针头直径0.5mm。在静电纺丝过程中,针头上施加15kV静电电压,铝箔作为接收装置并接地,针头距离铝箔的距离为15cm,注射泵流量为0.5mL/h,将铝箔上收集到的纳米纤维膜在60 ℃ 下干燥后备用。为了便于比较同时制备了PAN纳米纤维。

1.4 静电纺丝制备金属掺杂碳纳米纤维

将得到前驱体复合纳米纤维PAN/Co(OAc)２、PAN/Ni-(OAc)２和PAN/Cu(OAc)２分别放入箱式炉中进行处理,具体步骤为:(1)在空气氛围中,以1 ℃/min的速率加热到260℃,并在此温度下保持4h,空气流量为20PSI;(2)然后在氮气保护下,继续升温至800 ℃,升温速率为5 ℃/min,在此温度下保持6h,氮气的流量为20PSI;(3)停止通氮气并将气体切换为CO２,在800 ℃ 下保持30 min,CO２的流量为20PSI;(4)将气体切换为氮气,流量为20PSI,直至箱式炉的温度降至室温,将得到金属掺杂碳纳米纤维取出备用。

2 结果与讨论

2.1 X射线衍射分析

图1为前驱体复合纳米纤维PAN/Co(OAc)２、PAN/Ni-(OAc)２和PAN/Cu(OAc)２在800 ℃高温锻烧后所得样品的XRD谱图。从图1(a)-(d)中可以看出,样品在2θ=25°处存在一较宽的峰,这是由于碳纤维部分结晶所致,对应于(002)晶面(JCPDS 75-1621),这说明PAN已转化为无定形碳;图1(b)在44°和52°存在明显吸收,这两衍射峰分别对应于单质钴的(111)和(222)晶面(JCPDS 15-0806);图1(c)在44.4°和51.8°存在明显吸收,这两衍射峰分别对应于具有面心立方晶相镍的(220)和(200)晶面(JCPDS-ICDD 65-2856);图1(d)在43.6°和50.5°存在明显吸收,这两衍射峰分别对应于铜的(111)和(200)晶面(JCPDS-ICDD 04-0836)。这主要是由于在高温环境下PAN逐渐分散并转化为碳,碳将钴、镍和铜的氧化物还原为金属单质,因此可得到金属Co、Ni和Cu掺杂的碳纳米纤维。根据谢乐公式计算金属钴、镍和铜垂直于(111)、(220)和(111)晶面的平均晶粒大小约为10nm、15nm和30nm。

2.2 扫描电镜和透射电镜分析

图2为复合纳米纤维的SEM和TEM图((a)PAN,((b)、(i))C,(c)PAN/Co(OAc)２,((d)、(j))C/Co,(e)PAN/Ni(OAc)２,((f)、(k))C/Ni,(g)PAN/Cu(OAc)２,((h)、(l))C/Cu)。从图2(a)、(c)、(e)和(g)可观察到前驱体复合纳米纤维PAN/Co(OAc)２、PAN/Ni(OAc)２和PAN/Cu(OAc)２的表面相对比较光滑,部分纤维的表面有凹凸不平现象。这是因为纺溶液中的PAN大分子链之间较为均匀地纠缠在一起,当纺丝射流在电场中加速运动时,PAN大分子受电场力作用,会沿纤维的长度方向拉伸排列,纺丝射流表面的Co(OAc)２、Ni(OAc)２和Cu(OAc)２分子量较小,分子运动较快,而PAN大分子移动慢,随着DMF的挥发,分子移动快的地方产生凹陷,分子移动慢的地方自然会凸起,从而导致复合纳米纤维直径产生不均匀现象。

从图2(b)、(d)、(f)和(h)中可以看出,高温锻烧后纤维直径变细,在直径方向发生扭曲变形,并且部分纤维出现脆断现象。这是由于在预氧化和碳化的过程中,PAN及Co-(OAc)2、Ni(OAc)2和Cu(OAc)2在高温下分解,分解产物以气体的形式挥发掉,致使纤维直径变细,同时在碳化阶段,PAN、Co(OAc)2、Ni(OAc)2和Cu(OAc)2的中间产物相互作用的过程中也会造成纤维质量损失,从而使纤维发生扭曲及纤维直径变细[12]。另外,前驱体复合纳米纤维在高温煅烧时,纤维韧性降低,纤维变硬变脆,因此纳米纤维易在结构相对薄弱环节发生断裂。另外,从图2(j)、(k)和(l)可以看出,金属纳米粒子相对较均匀的分散在纳米纤维内部,这有利于复合纳米纤维导电性的提高。

2.3 吸附脱附曲线、比表面积、孔体积和电导率

复合纳米纤维的吸附脱附等温曲线和孔径分布如图3所示。从图3(a)和表1可以看出,碳纳米纤维的比表面积为216m2·g-1,其孔径大于140nm,孔体积为0.098cm3·g-1,这些孔主要是纳米纤维之间的孔隙。C/Co、C/Ni和C/Cu复合纳米纤维不仅存在大孔,而且还存在微孔和中孔,这些孔主要存在于纳米纤维上,其比面积分别为503m2·g-1、439m2·g-1和597 m2·g-1,孔体积分别为0.257cm3·g-1、0.213cm3·g-1和0.297cm3·g-1,孔径分别为2.6nm、2.3nm和2.4nm。C/Cu复合纳米纤维的比表面积和孔体积比碳纳米纤维分别提高了约2.8倍和3倍。

从表1可以看出,金属掺杂可显著提高碳纳米纤维的导电性,C/Cu复合纳米纤维的电导率最高为8.75S/m,与碳纳米纤维相比提高了6.8倍。碳纤维具有网状结构和较好的连续性,电子是沿着纳米纤维进行传导的。碳纳米纤维的结构可近似看作由沿纤维轴高度取向的乱层石墨微晶和微孔洞组成的二相体系,随着温度的升高,导致碳纤维内部结构疏松,这不利于电子传输;但是金属的掺杂弥补了这一缺陷,金属在碳纳米内部起到了电子传导枢纽的作用,更高的电导率则意味着纳米纤维有着更加有序和完整的微观结构。

3 结论

利用静电纺丝法制备了PAN/Co(OAc)2、PAN/Ni-(OAc)2和PAN/Cu(OAc)2复合纳米纤维,并通过高温处理后得到多孔C/Co、C/Ni和C/Cu复合纳米纤维,该碳基复合纳米纤维具有较高的比表面积、孔体积和较窄的孔径分布。其中C/Cu复合纳米纤维的比表面积和孔体积分别为597m2·g-1和0.297cm3·g-1,比碳纳米纤维提高了约2.8倍和3倍,导电率可达8.75S/m,提高了约6.8倍。金属的少量掺杂可大幅提高材料的导电性,此特性可大大拓宽碳纳米纤维的应用领域。

摘要：以DMF为溶剂,利用静电纺丝法制备了PAN/Ni(OAc)_2、PAN/Co(OAc)_2和PAN/Cu(OAc)_2复合纳米纤维,在250℃对复合纳米纤维进行预氧化处理,然后在800℃下进行碳化处理得到碳基复合纳米纤维。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电镜(TEM)和比表面与孔径分析仪(ASAP 2020)等对复合纳米纤维表面形貌和结构进行了表征,用四探针测试仪测试碳基复合纳米纤维的电导率。研究结果表明:高温处理后C/Co、C/Ni和C/Cu复合纳米纤维的直径比前驱体复合纳米纤维有所下降,部分纤维发生断裂,金属Co、Ni和Cu较均匀地分散在碳纤维内部。碳基复合纤维的比表面积和孔体积大大增加,分别为597m2·g-1和0.297cm3·g-1,C/Cu复合纳米纤维的导电率最高可达8.75S/m。

篇7：碳纳米材料的性能及应用作业

关键词：碳纳米管；壳聚糖；孔隙率；膜聚合物；吸附；过滤

中图分类号：O631文献标识码：A

Abstract：A porous chitosan/PEG/carbon nanotubes （CNTs） membrane with nanometer scale pores and good distribution was prepared by mechanical blending. Scanning electron microscope （SEM） images showed that 30～50 nm pores with homogeneous distribution appeared on the membrane when CNTs was added， and the porosity increased with the increase of CNT content. Methyl orange adsorption experiment showed that the adsorption quantity of the membrane increased first， and then decreased with the increase of the CNTs content. Copper sulfate solution filtration experiment showed that the water transport behavior of the membrane was improved with the addition of CNTs. At first， the water flux of membrane increased with the increase of CNTs content， but when CNTs content reached a certain value， the water flux decreased. The rejection rate of Cu2+ increased with the increase of CNTs content at first， and when CNTs content reached a certain value， the rejection also decreased.

Key words： carbon nanotubes；chitosan； porosity；membranepolymerics；adsorption； filtration

现代社会的水体污染如印染料污染和重金属离子污染日益严重，亟待解决.膜吸附和过滤技术操作简单、成本低，是颇具潜力和价值的污水处理手段.壳聚糖作为一类自然界来源丰富的吸附材料，能与水中的重金属离子（如Cr2+，Cu2+等）形成螯合物[1]，且理化性质相对稳定，可生物降解，成纤成膜性能良好，是一类较好的制膜材料[2].但纯壳聚糖膜力学强度不高，通水能力较低，限制了其应用范围.聚乙二醇（PEG）是高分子制膜过程中常用的添加剂，在凝固过程中能阻碍壳聚糖的相互聚集，而后被洗脱成为膜的孔隙.一般而言，壳聚糖膜的孔隙率和孔径大小与PEG相对分子质量和用量大小紧密相关.用低相对分子质量PEG所得到的膜孔隙率不高、孔径较小，膜的通水能力不高.增加用量虽然能提高膜的孔隙率和孔径尺寸，但成膜性变差.增大PEG的相对分子质量，可使膜的孔径增大[3]，提高膜的通水能力，但膜孔径的增大也会降低对重金属离子的截留能力，且大分子量的PEG也不易被洗脱干净.

近年来，碳纳米管作为力学强度高、导电导热性能好的准一维纳米材料在高分子领域已得到广泛应用[4-8].将碳纳米管应用于过滤膜材料的研究也已引起人们的关注.Qiu等[9]将功能化的碳纳米管与聚矾共混，经相转化法成膜，发现碳纳米管的加入能提高膜的亲水性，并解释这一现象是缘于酸化处理的CNTs有较好的亲水性和吸附作用，能增加相转化过程中溶剂与非溶剂的交换速率，使碳纳米管在膜中规整排列，进而使膜的水通量得到提高.马如飞等[10]报道，在pH=5时，壳聚糖的Zeta电位为15 mV，酸化碳纳米管的Zeta电位为-20 mV，两者之间电势差别大，产生强的静电作用，可使碳纳米管克服团聚而稳定分散在壳聚糖基体里.Tang等[11] 研究了CNTs加入对壳聚糖多孔膜水通量的影响，发现随酸化CNTs含量的增加，PEG6000/壳聚糖膜的水通量逐渐增大，而PEG10000/壳聚糖膜的水通量却逐渐减小.由于准一维纳米尺寸的酸化CNTs具有羧基、羟基等亲水基团，能与壳聚糖和PEG较好地相互接触，能在共混时提高壳聚糖与PEG的分散性并增进壳聚糖与PEG的相互接触，使壳聚糖与PEG的相容性得到提高，且CNTs大的长径比和高的力学强度十分有利于成膜性能的提高，从而在成膜时可增加PEG的含量，改善膜的孔结构[12].可以预见，壳聚糖膜中引入CNTs并选择合适相对分子质量的PEG，有望获得既有较高通水能力又有较好截留能力的过滤膜.

篇8：碳纳米材料的性能及应用作业

随着2009年哥本哈根气候大会的落幕及近年来地球环境气候的异常变化所带给人类的灾难，越来越多的人们开始关注低碳节能。因此，建筑低碳节能技术日益得到广泛关注和重视，各种储能相变建筑材料与制品也应运而生。相变材料(Phase Change Material,PCM)是一种在其物相变化的过程中，可以从环境吸收热(冷)量或向环境放出热(冷)量，能将能量以相变潜热的形式储藏在体内，从而实现能量储存和释放的新型材料[1]。相变材料的基本特征是发生相变的温度范围很窄,且材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，而当大量相变热转移到环境中时,产生了一个宽的温度平台[2]。把相变材料结合进普通建筑材料中，便形成一种复合储能建筑材料[3]。而作为基材的普通建筑材料通常为硅酸盐水泥类，水泥的生产过程需要耗费大量的不可再生资源和能源，而且每生产1t水泥就要向大气中排放1t的CO2，可见硅酸盐水泥的使用给人类带来巨大改变的同时也让人类付出了惨重的代价[4]。因此，如能用一种低碳节能材料替代硅酸盐水泥，开发出新型复合储能建筑材料将产生较大的社会和经济效益。

本实验在常温常压条件下，以碱性激发剂激发粒化高炉矿渣和生土作为基材，以吸附相变石蜡的膨胀珍珠岩作为储能轻骨料研制了一种新型复合建筑材料。整个生产过程无任何有毒有害气体放出，而且可大量利用工业废弃物。

1 实验

1.1 原材料

(1)石蜡：沈阳产工业用石蜡，标号为34号。

(2)膨胀珍珠岩：松散堆积密度为84kg/m3。

(3)生土：取自大连后盐地区，将其在80℃烘箱中烘干48h，烘干后将土样磨细备用。其化学组成和物理性能见表1。

(4)矿渣：大连某公司生产的粒化高炉矿渣，其活性系数为1.736，碱度系数为1.210，其化学组成和物理性能见表1。

(5)水泥：42.5级普通硅酸盐水泥。

(6)胶砂：ISO标准砂。

(7)激发剂：由工业水玻璃、氢氧化钠、乙二醇按比例调配合成。

(8)水：洁净自来水。

1.2 样品制备及试验方法

(1)将膨胀珍珠岩在80℃的烘箱中烘干12h后置入平底容器中，加入过量石蜡，再将盛装膨胀珍珠岩和石蜡的容器置于80℃的恒温水域中，5h后待吸附达饱和(石蜡与珍珠岩质量比约为2.5:1)后将珍珠岩取出，如图1所示，滤出多余石蜡，自然冷却后备用[5]。本试验方法未采用真空抽滤，目的是让膨胀珍珠岩中留有一定数量的微孔。

(2)LPM和OPC各制作300mm×300mm×20mm的板两块，40mm×40mm×160mm的胶砂试块3组，在标准养护室内养护28d。其中OPC的质量配合比为水泥：胶砂：水为2:6:1,LPM的质量配合比为矿渣：生土：胶砂：激发剂：水：吸附石蜡膨胀珍珠岩为27:18:100:12:13:16。

(3)用型号为DRY-600的导热系数测定仪按GB/T 10295标准规定方法测试OPC板和LPM板的导热系数

(4)用多路温度测试仪测试温度变化。将LPM板和OPC板各一块，分别包裹在苯板里，露出上表面，如图2所示，将红外灯置于两试样中间(照射强度为400W)给予热流。在板的上下两侧相同位置布置测点，所测数据由电脑输出。

(5)用万能材料试验机测试试块的抗折和抗压强度，收集碎块进行SEM和DSC的测试。

2 实验结果及分析

2.1 微观形貌

从图3a中可以观察到致密的石蜡蓄热材料吸附在多孔的膨胀珍珠岩固体支撑材料中，并与支撑材料熔为一体，这主要是由于多孔的膨胀珍珠岩具有较大的比表面积，其界面的相互作用较强，能将蓄热材料和固体支撑材料充分地结合起来[6]。图3b中可见吸附石蜡的膨胀珍珠岩相变材料与矿渣—生土基材紧密粘结在一起。PCM材料与基材的界面结合问题是决定此种材料是否能够得到实际应用的基础。因为对于建筑结构用材料，力学强度达不到要求，其它一切性能的研究就都失去意义了，此材料中作为基材的碱激发矿渣和生土具有高强性能，所以PCM材料自身及其与基材结合的界面处是决定其强度的重要指标，因为粘结的整体宏观力学性能其实是界面的微观结构的具体表现,良好的粘结避免了从界面处的滑移破坏[7]。

2.2 强度与容重

从表2可以看出LPM早期强度增长较快，28d强度可达23MPa，可以满足农村建筑结构要求。但浸泡石蜡膨胀珍珠岩的加入大大降低了试件的后期强度，尤其是抗压强度。由于膨胀珍珠岩自身强度较低，基本上起不到“骨架”作用，所以强度主要来自于作为基材的碱激发矿渣和生土。从图4可以看出，膨胀珍珠岩与生土矿渣水泥基材界面粘结牢固，甚至在施加外力至试件破坏时也未产生从界面处滑移破坏，而是膨胀珍珠岩被拉断。干表观密度测试可知LPM的密度比OPC材料降低25%，从而用LPM替代传统硅酸盐水泥将会使建筑减轻25%的结构自重。

2.3 导热系数

测同一材料导热系数时，在如图5中所示仪器的样品放置处放置两块试样板，最后取值为两块板导热系数平均值。导热性能是储能相变复合建筑材料应用中的一个重要性能。从测试所得数据可知LPM板的导热系数为0.35 W/(m·k)，与保温砂浆0.29 W/(m·k)的导热系数值非常接近[8]。而OPC板的导热系数测试数据为0.98 W/(m·k)，远远高出LPM板。本研究的储能复合建筑材料的低导热系数是由于吸附石蜡的膨胀珍珠岩的加入，由于未采取真空抽滤的方法，所以膨胀珍珠岩吸附石蜡后仍然保持了许多微孔结构。微孔中的空气的导热系数比其它纯水泥基材的导热系数都要低，而且由于孔隙的几何尺寸小，限制了气体分子的自由行程，使得其内包含的空气基本上处于静止状态，对流传热量大大减小;另一方面，由于大量孔隙的存在，使得单位材料体积内，固体孔隙壁的截面积减小，传热路径延长，从而使导热量降低。与此同时，由于大量孔隙壁相当于存在无数个遮热板，故使得辐射传热也大大削弱[9]。由此可见，LPM在低于相变温度未发挥储能相变作用时，也可以起到一定的绝热节能作用。

2.4 一维条件下材料温度-时间响应关系

由图6第二放热峰可知本试验中石蜡珍珠岩相变材料的固—液相变温度为36.82℃,峰值融化温度为43.90℃，相变潜热为108.14J/g。分析第一放热峰的产生可能为工业石蜡不纯，其中杂物所至。

由图7时间与温度响应曲线可以看出，当外界温度由17.05℃开始加温，在升温初期，两种板的温度并没有太明显的变化，但随着温度、时间的不断增加，OPC板随外界温度升温的速度开始明显高于LPM板，当外界温度超过LPM材料相变温度后，LPM材料并没有出现明显的衡温阶段，但由于相变蓄热材料熔化蓄热导致升温速度变得非常缓慢，而OPC板的温度一直保持与外界基本相同的升温速度持续上升。当外界最高温度达到44.66℃时，OPC板温度为42.81℃而LPM板温度为37.17℃，二者温差为5.64℃。当外界温度开始下降后，OPC板和LPM板温度均开始下降，但OPC板降温速度远远大于LPM板，且在此阶段，LPM板在35.5℃左右有个明显恒温阶段，此温度与DSC所测浸泡石蜡的膨胀珍珠岩第二个吸热峰的相变温度基本一致，恒温时间大约维持90min左右。当外界温度降至实验开始水平即17.05℃时，OPC板温度为19.35℃，而LPM板温度为27.08℃。当两种板的温度都降至外界温度时，LPM板比OPC板的降温总时间延长85min。

由此可见,由于相变材料的加入提高了复合材料的蓄热能力，使热流产生延迟、内表面温度波动小、热流小，这样在实际应用时可在升温过程中吸收热量，减缓了温度的升高幅度,在降温过程中释放热量，减缓了降温速度。

3 结论

(1)吸附石蜡的膨胀珍珠岩与碱激发矿渣—生土基材紧密粘结在一起，此种储能复合建筑材料28d抗折强度和抗压强度分别可达4.95MPa、23.05MPa，可满足农村建筑结构强度要求。

(2)本研究低碳储能复合建筑材料的导热系数为0.35W/(m·k)，远优于传统硅酸盐水泥砂浆，与保温砂浆十分接近。

(3)在外界温度升高或降低时，LPM材料相对于硅酸盐水泥温度变化小，波动平缓，升温及降温总时间大大延长，其节能效果明显。

摘要：在常温常压条件下,研制了一种以碱性激发剂激发矿渣、生土为基材,以吸附储能相变石蜡的膨胀珍珠岩作为轻质骨料的低碳储能复合建筑材料(LPM),其28d抗折强度和抗压强度分别可达4.95MPa、23.05MPa。测试了材料的温度随环境温度及时间变化关系以及导热性能、力学性能,同时与硅酸盐水泥(OPC)进行了对比。结果表明:在外界温度发生变化时,此种复合建筑材料较硅酸盐水泥具有导热系数低,升温、降温速度慢,温度变化平缓、波动小的优点,且具有较好的力学性能。

关键词：储能,相变材料,石蜡,农村建材

参考文献

[1]张仁元.相变材料与相变储能技术[M].北京:科学技术出版社,2009:1-5.

[2]马保国,蹇守卫,金磊,等.建筑材料的研究进展与温度-时间响应测定[J].节能环保,2008(4):37-43.

[3]闫全英,梁辰,张林.相变石蜡掺量对水泥墙传热性能的影响[J].建筑材料学报,2009(2):236-238.

[4]王立久.新型建筑工程材料及应用[M].北京:中国电利出版社,2008.

[5]Ahmet Sari,Ali Karaipekli,Cemil Alkan.Preparation,characterization and thermal properties of lauric acid/expandedperlite as novel form-stable composite phase change material[J].Chemical engineering Journal,2009,155(3):899-904.

[6]Dong Zhang,Shengli Tian,Deyan Xiao.Experimental studyon the phase change behavior of phase change materialconfined in pores[J].Solar energy,2007,81(5):653-660.

[7]Dale P.Bentz,Randy Trupin.Potential applications of phasechange materials in concrete technology[J].Cement andConcrete Composites,2007,29(7):527-532.

[8]王立久.建筑材料学[M].北京:中国水利水电出版社,2008.

篇9：碳纳米材料的性能及应用作业

该团队负责人麦卡·普伦尼拉解释说，因化学反应导致的不稳定性和高电阻导致的低功率，不带涂层的多孔硅本是一种极差的电容器电极材料。涂上氮化钛的多孔硅能提供化学惰性和高导电性，带来了高度稳定性和高功率，且多孔硅有很大的表面积矩阵。

根据荷兰爱思唯尔出版集团《纳米能源》杂志在线发表的论文，新电极装置经13000次充放电循环而没有明显的电容减弱。普伦尼拉说，报告数据受检测时间的限制，而并非电极真实性能。他们继续对其进行充放电循环，至今已达到5万次，甚至在循环中让电极干燥，也没有出现物理损坏或电学性能衰减问题。“超级电容要求稳定地达到10万次循环。目前用多孔硅—氮化钛（Si-TiN）做电极的电容装置能完全稳定地通过5万次测试。”

在功率密度和能量密度方面，新电极装置比得上目前最先进的超级电容器。目前由氧化石墨烯/还原氧化石墨烯制造的芯片微电容器功率密度为200瓦/立方厘米，能量密度为2毫瓦时/立方厘米，而新电极装置功率密度达到214瓦/立方厘米，能量密度为1.3毫瓦时/立方厘米。普伦尼拉说，这些数字标志着硅基材料首次达到了碳基和石墨烯基电极方案的标准。

从电子产品的功率稳定器到局部能量采集存储器，芯片超级电容器有着广泛的应用。普伦尼拉说，他们在整体设计中还存在一些难题，每单位面积电容仍需提高，要达到技术许可的最高水平，他们还需进一步研究。（中国科技网）