碳纳米管/聚合物复合材料导电特性的研究

摘要

碳纳米管具有非常独特的结构和奇异的电特性。对于含有碳纳米管的聚合物基复合材料，这些优秀的电特性能用于增大基质的电导率，提高复合物的导电性能。碳纳米管/聚合物导电复合材料已成为当今材料物理研究领域的热点之一。本文系统探讨了碳纳米管/聚合物复合材料的导电性能，构建了碳纳米管/聚合物复合材料的导电模型。
　　本文的研究目的是为碳纳米管/聚合物复合材料在电子技术和纳电子器件的开发应用方面提供理论指导。
　　首先介绍了碳纳米管及其聚合物导电复合材料的结构、性质。系统论述了碳纳米管/聚合物复合材料的制备方法特别是为实现碳纳米管的有序排列和提高碳纳米管在聚合物中的分散性所采用的有效方法。
　　深入探讨了碳纳米管和聚合物两种组分材料各自的电导率与质量分数、碳纳米管的几何参数和碳纳米管连接处聚合物基质填缝小区域中的电子隧道效应等因素对碳纳米管/聚合物复合材料导电性能的影响，提出了聚合物基碳纳米管的交叠接触模型，导出了碳纳米管/聚合物复合材料的电导率公式，构建了碳纳米管/聚合物复合材料的导电模型。
　　对多壁碳纳米管/苯氧基复合材料和多壁碳纳米管/聚苯醚砜复合材料的导电特性进行了数值模拟。模拟结果表明，当碳纳米管的质量分数小于渗流阈值时，复合材料的电导率虽随碳纳米管质量分数的增加而增大，但很小，表明在阈值以下，材料的导电性能很弱。适当增加碳纳米管的质量分数，能明显改善材料的导电性能，使其呈现出良好的半导体导电性能。碳纳米管的弯曲度是影响复合材料导电性能的一个独立因素，随着复合材料中碳纳米管弯曲度的增加，材料对载流子输运能力迅速降低，导致材料的导电性能明显减弱。对于每一种复合材料，碳纳米管的质量分数都有一个临界值，当碳纳米管的质量分数大于临界值时，随着它的增大，有效电导率对数的迅速增加，但最终趋于一个定值，说明复合材料中形成了比较稳定的导电网络。碳纳米管/聚合物复合材料的电导率随碳纳米管实际长度的增加而增大，说明碳纳米管实际长度的增加减小了复合材料的接触电阻，有利于材料的导电。碳纳米管实际长度的变化对材料导电性能的影响程度与复合材料中聚合物的种类有关。理论结果和Jonas等人观察到的实验现象一致。模拟结果表明，通过改进制备工艺，控制材料的结构和参数，能够制备出性能优异、电导率可调节的碳纳米管/聚合物复合物电子电器材料。

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第一章 绪 论

1.1碳纳米管概述

1.2 碳纳米管/聚合物复合材料简介

1.3 课题研究背景与主要研究内容

第二章 碳纳米管/聚合物复合材料的制备方法

2.1 碳纳米管的预处理

2.2复合材料制备中碳纳米管的分散方法

2.3 聚合物基体中碳纳米管的有序排列

2.4 本章小结

第三章碳纳米管/聚合物复合材料导电特性的理论模型

3.1 材料的基本参数

3.2 理论模型

3.3 本章小结

第四章碳纳米管/聚合物复合材料导电特性的数值模拟及分析

4.1 k取不同值时，碳纳米管/聚合物复合材料的电导率σE随碳纳米管质量分数wN的变化

4.2 Nw 取不同值时，碳纳米管/聚合物复合材料的电导率σE随碳纳米管实际长度lN的变化

4.3 k取不同值时，碳纳米管/聚合物复合材料的电导率σE随碳纳米管实际长度lN的变化

4.4 本章小结

第五章结论

参考文献

作者攻读硕士学位期间的科研成果

致谢