取向碳纳米管/聚合物复合材料摩擦学各向异性研究

摘要

碳纳米管是近年来被研究最多的纳米材料之一。因为优异的力学、光学、电学、磁学、热学等综合性能，碳纳米管在结构材料、储能、生物医药、光电器件等广泛领域显示重要的应用前景。另一方面，聚合物因成本低、加工容易、结构可控等优点而在摩擦学领域被广泛研究应用。聚合物的机械强度和耐磨性往往较低，为了提高其摩擦学性能，经常需要加入其它组分如碳纳米管形成高性能的复合材料，但长期以来面临一个共同而关键的挑战，即碳纳米管在聚合物基体中无规聚集，导致无法充分发挥碳纳米管的优异性能。本学位论文重点制备了具有高度取向结构的碳纳米管/聚合物复合材料，获得高性能的摩擦材料。
　　首先，通过化学气相沉积法合成了碳纳米管阵列;然后，进一步通过于法纺丝和压膜方法得到高度取向的碳纳米管膜;最后，加入聚甲基丙烯酸甲酯溶液旋涂成膜或者苯乙烯单体溶液后进行原位聚合，制备两类典型的取向碳纳米管/聚合物复合材料。复合材料表面的碳纳米管一侧嵌入聚合物基体中，另一侧露在表面。通过摩擦力显微镜和M-2000摩擦磨损测试仪，分别重点研究了上述两类复合材料在微摩擦和宏观摩擦性能的各向异性。主要结论总结如下:
　　(1)对于取向碳纳米管/聚甲基丙烯酸甲酯复合膜，垂直于碳纳米管取向方向的微摩擦系数约为平行方向的两倍;
　　(2)对于取向碳纳米管/聚苯乙烯复合材料，垂直于碳纳米管取向方向的磨损率是平行方向的约三倍;
　　(3)加入碳纳米管显著提高了复合材料的力学强度、耐磨性、导电性和热稳定性。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 碳纳米管的取向方法

1．1．1 原位生长法

1．1．2 外力取向

1．2 取向碳纳米管膜

1．2．1 基于可纺碳纳米管阵列的干法纺丝法

1．2．2 原位生长法

1．3 碳纳米管在摩擦学中的研究进展

1．3．1 碳纳米管及其复合材料的微摩擦学研究

1．3．2 碳纳米管／聚合物复合材料的宏观摩擦学研究

1．4 本学位论文主要研究内容

第二章 碳纳米管阵列的合成及表征

2．1 实验方法

2．1．1 试剂与仪器

2．1．2 催化剂的制备

2．1．3 可纺碳纳米管阵列的合成

2．1．4 超高碳纳米管阵列的合成

2．1．5 表征与测试

2．2 结果与讨论

2．2．1 碳纳米管阵列形貌表征

2．2．2 碳纳米管阵列合成的影响因素

2．3 本章小结

第三章 取向碳纳米管／聚甲基丙烯酸甲酯复合膜的制备及其微观摩擦各向异性研究

3．1 实验方法

3．1．1 实验试剂与仪器

3．1．2 高度取向碳纳米管／聚甲基丙烯酸甲酯复合膜材料的制备

3．1．3 形貌表征与性能测试

3．2 结果与讨论

3．2．1 可纺碳纳米管阵列及取向碳纳米管栅的形貌

3．2．2 碳纳米管／聚合物复合膜的结构特点

3．2．3 高度取向碳纳米管／聚合物复合膜材料的微摩擦各向异性

3．2．4 高度取向碳纳米管／聚合物复合膜材料的力学性能各向异性

3．2．5 高度取向碳纳米管／聚合物复合膜材料的电学性能各向异性

3．2．6 碳纳米管的加入对聚合物热稳定性的影响

3．3 本章小结

第四章 取向碳纳米管／聚苯乙烯复合材料的制备及其宏观摩擦各向异性研究

4．1 实验方法

4．1．1 试验试剂与仪器

4．1．2 超高取向碳纳米管阵列的合成

4．1．3 高度取向碳纳米管压膜的制备

4．1．4 高度取向碳纳米管／聚苯乙烯复合块状材料的制备

4．1．5 形貌表征与性能测试

4．2 结果与讨论

4．2．1 超高碳纳米管阵列的形貌表征

4．2．2 取向碳纳米管／聚苯乙烯块状复合材料的热学性能

4．2．3 取向碳纳米管／聚苯乙烯复合块状材料的宏观摩擦各向异性

4．2．4 摩擦磨损机理探讨

4．3 本章小结

第五章 全文工作总结与展望

参考文献

研究成果

致谢

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