導(dǎo)電納米纖維及其復(fù)合材料的制備與性能研究.pdf

1、導(dǎo)電納米纖維具有高比表面積、大的長徑比、以及優(yōu)良的導(dǎo)電性，在納米微電子電路、分子導(dǎo)線、納米線圈等方面顯示出巨大的潛在應(yīng)用價值，可望應(yīng)用于微型光電子器件、分子級電路、電磁屏蔽和隱身技術(shù)領(lǐng)域。而傳統(tǒng)導(dǎo)電納米纖維主要是通過本征導(dǎo)電聚合物制備得到，而本征導(dǎo)電聚合物種類少，應(yīng)用受到很大限制，因此，近年的研究重點主要是將導(dǎo)電納米顆粒分散在聚合物中，通過合適方法制備摻雜型導(dǎo)電納米纖維，而其中導(dǎo)電碳納米管的應(yīng)用是目前研究最多的體系。雖然已經(jīng)有文獻(xiàn)報道碳

2、納米管/聚合物導(dǎo)電納米纖維的研究，但研究均停留在制備和表征方面，對其應(yīng)用研究甚少，尤其是導(dǎo)電納米纖維在聚合物及復(fù)合材料中的應(yīng)用研究更少。而靜電紡絲技術(shù)的發(fā)展為碳納米管/聚合物導(dǎo)電納米纖維的制備和應(yīng)用研究提供了快速而有效的途徑。本文將碳納米管和廣泛應(yīng)用的高分子聚氨酯通過靜電紡絲技術(shù)制備出了高導(dǎo)電納米纖維，對該復(fù)合導(dǎo)電納米纖維的熱物理性能、導(dǎo)電性能、以及對聚合物和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響進(jìn)行了系統(tǒng)、深入地分析，對導(dǎo)電納米纖維在涂層和

3、層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在電磁屏蔽領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了開創(chuàng)性的研究工作，建立了碳納米管含量對納米纖維導(dǎo)電性能影響的定量關(guān)系，從實驗測試和理論分析角度研究了導(dǎo)電納米纖維的含量對聚合物和層合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響的方式和影響的機(jī)理，并建立了相關(guān)的分析模型。本文的具體工作主要表現(xiàn)在：
　　 (1)應(yīng)用靜電紡絲技術(shù)制備碳納米管/聚氨酯(CNTs/PU)復(fù)合微/納米纖維，將該復(fù)合纖維收集成無紡布薄膜，采用掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)觀

4、察了纖維的微觀形貌和結(jié)構(gòu)，分別利用X-射線衍射儀(XRD)、熱失重分析儀(TGA)和動態(tài)力學(xué)分析儀(DMA)研究了復(fù)合纖維的結(jié)晶行為、熱穩(wěn)定性及玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度，并測試了纖維薄膜的拉伸力學(xué)性能隨CNTs含量的變化關(guān)系。結(jié)果表明，一定含量的CNTs能有效地分散于PU溶液中，并能成功地紡出CNTs/PU復(fù)合微/納米纖維，隨CNTs在PU纖維中含量的增加，復(fù)合纖維的直徑變細(xì)、玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度升高、熱穩(wěn)定性增強(qiáng)。并且，在所研究的含量范圍內(nèi)，無紡布的

5、拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率隨CNTs含量的增加而有所增大。
　　 (2)利用PC68數(shù)字高阻計和Loresta GP電阻計測量纖維薄膜的直流電導(dǎo)率隨CNTs含量變化的關(guān)系。為了更好地研究該多孔薄膜的電學(xué)性能，同時采用Agilent4294A阻抗分析儀測試了纖維薄膜的電導(dǎo)率在40Hz-110MHz頻率范圍內(nèi)的變化關(guān)系，并與澆注試樣的結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明，在所研究的含量范圍內(nèi)，CNTs的加入使PU的電導(dǎo)率提高約1010倍。根據(jù)復(fù)合纖維薄

6、膜的電導(dǎo)率及薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，提出了薄膜的導(dǎo)電模型并分析了澆注膜與電紡纖維膜的導(dǎo)電機(jī)理。
　　 (3)將碳管/納米復(fù)合纖維膜添加到環(huán)氧樹脂和層合板的層間界面，研究了不同含量的超細(xì)纖維對環(huán)氧樹脂、環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料層合板的拉伸性能的影響。結(jié)果表明，復(fù)合超細(xì)纖維對環(huán)氧樹脂、環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料層合板的拉伸性能均有一定的增強(qiáng)作用，且增強(qiáng)作用與碳管在納米復(fù)合纖維中的含量有關(guān)。當(dāng)碳管/納米復(fù)合纖維中碳管含量未達(dá)到一定值時(本文為(

7、)％)，增強(qiáng)作用隨碳管含量的增加而增大，但是當(dāng)碳管含量高于這一值后，增強(qiáng)作用反而會隨碳管含量的增加而減弱。通過對斷面進(jìn)行SEM掃描我們可以發(fā)現(xiàn)，添加碳管含量為5％的碳管/納米復(fù)合纖維到環(huán)氧樹脂中時，環(huán)氧樹脂斷面可能出現(xiàn)碳管的聚集，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成材料的破壞。
　　 (4)通過建立細(xì)觀力學(xué)模型，從細(xì)觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，根據(jù)復(fù)合材料基本組分材料的性能，對納米纖維膜、納米纖維環(huán)氧澆鑄體的基本力學(xué)性能進(jìn)行了分析，對其力學(xué)影響機(jī)理進(jìn)行了討論