碳纳米管于1991年由S.Iijima 发现,其直径比碳纤维小数千倍,其性能远优于现今普遍使用的玻璃纤维。其主要用途之一是作为聚合物复合材料的增强材料。

      碳纳米管基本上可分为单壁型和多壁型两类。虽然他们乍看起来非常相似,但其制作方法和性能不尽相同。纳米管的结构决定它们是具有金属性还是具有半导体性质。大约三分之二的单壁纳米管属于半导体型,三分之一属金属型。至于多壁纳米管,由于各层壳的性能的叠加,难以做出明显区别,但大体上是金属型。

      碳纳米管的力学性能相当突出。现已测出多壁纳米管的平均弹性模量为1.8TPa。碳纳米管的强度比弹性模量实验值为30-50GPa。尽管碳纳米管的拉伸强度如此之高,但它们的脆性不象碳纤维那样高。碳纤维在约1%变形时就会断裂,而碳纳米管要到约18%变形时才会断裂。碳纳米管的层间剪切强度高达500MPa,比传统碳纤维增强环氧树脂复合材料高一个数量级。

      在电性能方面,碳纳米管用作聚合物的填料具有独特的优势。加入少量碳纳米管即可大幅度提高材料的导电性。与以往为提高导电性而向树脂中加入的碳黑相比,碳纳米管有高的长径比,因此其体积含量可比球状碳黑减少很多。多壁碳纳米管的平均长径比约为1000;同时,由于纳米管的本身长度极短而且柔曲性好,它们填入聚合物基体时不会断裂,因而能保持其高长径比。爱尔兰都柏林Trinity学院进行的研究表明,在塑料中含2%-3%的多壁碳纳米管使电导率提高了14个数量级,从10-12s/m提高到了102s/m。

      碳纳米管已经在一些国家获得实际应用,例如美国RTP公司开发了一系列纳米管配混料,截止到2003年,可供的配混料类型有聚烯烃、聚酰胺、聚碳酸脂/ABS混合料、聚苯乙烯、聚碳酸脂、聚酯、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺和聚醚醚酮,其它聚合物共混料也在开发之中。用于航天工业中的聚合物,在飞行时外部气流与一般材料(如玻璃纤维)增强的树脂之间产生的摩擦常引起静电而干扰无线通讯。用碳纳米管增强工程塑料将可以在大幅度提高基体树脂力学性能的同时解决这一问题。美国国家航空与宇宙航行局(NASA)和休斯敦的Rice大学已在准备碳纳米管在航天领域与聚合物复合的首批应用。


2015年11月18日

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高聚物/碳纳米管复合材料

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