小直径单壁碳纳米管的提取及大形变应变传感器的研究

摘要

碳纳米管不只是机械性能优异,还具有出色的光电性能和热学性能,故而受到了学术界和产业界的广泛关注。因为曲率效应的存在,相比于大直径的单壁碳纳米管,亚纳米直径的单壁碳纳米管具有更优异的性能。直径小于5时,单壁碳纳米管π*–s*杂交效应很强,带状结构发生变化,使其趋向于金属性,直径为4的单壁碳纳米管具有超导体性能。故而已经有很多人把目光聚集到制备及研究直径为4的单壁碳纳米管工作中来。此外，2002年，清华大学范守善课题组通过CVD方法制备得到了超顺碳纳米管阵列，从而开启了碳纳米管从微观到宏观的大门，基于碳纳米管薄膜的柔性器件也因此得到了快速发展。但是此类柔性器件形变依旧很小，限制了该柔性器件的进一步发展。对于以上两大挑战，本文针对性了做了如下的工作：
　　以中性生物素蛋白为载体纯化提取小直径单壁碳纳米管。CVD法制备的单壁碳纳米管混合物多以碳纳米管束的形式存在，且含有无定形碳杂质。中性生物素蛋白易与无定形碳以及碳纳米管束结合，发生结合后，无定形碳以及碳纳米管束的溶解度增加，通过离心的方法即可得到单个的小直径单壁碳纳米管，在该过程中除去了绝大部分的单壁碳纳米管束、无定形碳以及大直径的单壁碳纳米管。然而，经过这个步骤之后，我们发现得到的产物中依旧含有少量的无定形碳，故而我们在其中加入生物素 atto550，进一步增加二者溶解性的区别，通过离心的方法最终达到纯化提取小直径单壁碳纳米管的目的。AFM照片显示，通过这种方法，我们最终得到了直径为0.38 nm的单壁碳纳米管。
　　大形变电阻式应变传感器的制备及其应用探究。我们以橡胶纤维为鞘核心，在其上喷涂橡胶溶液，覆盖一层均匀的橡胶层，然后在橡胶层外面包裹碳纳米管，得到了一种高度可拉伸地螺旋状地褶皱型应变传感器，它能够可恢复地拉伸至600％，同时电阻变化达到160%。其电阻变化规律为两段线性变化关系：应变为0%到200%的时候，GF1=0.5；应变为200%到600%的时候，GF2=0.14。作为扭转传感器，样品每厘米最多可以扭转2.2圈，能够使得线性电阻变化高达14%，同时样品耐用性好且能够快速响应。在应用方面，我们将制作好的应变传感器样品贴在腰部、膝关节、指关节分别作为呼吸监测器、运动监测器和指关节数据采集器。在呼吸监测方面，我们的技术提供了一种可靠的、不受妨碍方式来获得呼吸模式，并且该方法不受噪声、光、辐射、大气压或者磁场的影响。我们的应变传感器制备的呼吸监测器不仅仅可以鉴别呼吸作用的缺陷，而且能够区分不同的反常呼吸模式，比如阻塞性呼吸、库斯莫尔呼吸、毕奥失调型、陈-施氏呼吸以及长呼吸。此外，我们的应变传感器提供了一个非常方便的方法来测量大形变，故而有很多潜在应用，如医疗保健，在娱乐、虚拟现实、机器人、人工肌肉矫正等方面的数据采集，工业和航天工程。

目录

声明

第一章 绪论

1.1碳纳米管简介

1.2碳纳米管纯化

1.3一种特殊的碳纳米管——可纺高取向碳纳米管阵列

1.4可拉伸应变传感器

第二章 中性生物素蛋白纯化提取单壁碳纳米管

2.1引言

2.2实验部分

2.3小直径单壁碳纳米管纯化结果分析

2.4本章小结

第三章 大形变双鞘层纤维应变传感器NTSm@rubber@fiber

3.1引言

3.2实验部分

3.3应变传感器宏观、微观形貌表征

3.4传感器相关性能测试

3.5应变传感器排列电阻模型

3.6应变传感器电阻变化vs.应变线性关系影响因素分析

3.7大扭转位移双鞘层纤维传感器NTSm@rubber@fiber

3.8大形变应变传感器的应用

3.9本章小结

第四章 结论和展望

4.1研究成果总结

4.2展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢