纳米复合材料范文第1篇

[关键词]碳纳米管；复合材料；结构；性能

自从 1991 年日本筑波 NEC 实验室的物理学家饭岛澄男(Sumio Iijima)[1]首次报道了碳纳米管以来，其独特的原子结构与性能引起了科学工作者的极大兴趣。按石墨层数的不同碳纳米管可以 分 为单壁碳 纳 米管(SWNTs) 和多壁碳 纳 米管(MWNTs)。碳纳米管具有极高的比表面积、力学性能(碳纳米管理论上的轴向弹性模量与抗张强度分别为 1~2 TPa 和 200Gpa)、卓越的热性能与电性能(碳纳米管在真空下的耐热温度可达 2800 ℃，导热率是金刚石的 2 倍，电子载流容量是铜导线的 1000 倍)[2-7]。碳纳米管的这些特性使其在复合材料领域成为理想的填料。聚合物容易加工并可制造成结构复杂的构件，采用传统的加工方法即可将聚合物/碳纳米管复合材料加工及制造成结构复杂的构件，并且在加工过程中不会破坏碳纳米管的结构，从而降低生产成本。因此，聚合物/碳纳米管复合材料被广泛地研究。

根据不同的应用目的，聚合物/碳纳米管复合材料可相应地分为结构复合材料和功能复合材料两大类。近几年，人们已经制备了各种各样的聚合物/碳纳米管复合材料，并对所制备的复合材料的力学性能、电性能、热性能、光性能等其它各种性能进行了广泛地研究，对这些研究结果分析表明：聚合物/碳纳米管复合材料的性能取决于多种因素，如碳纳米管的类型(单壁碳纳米管或多壁碳纳米管)，形态和结构(直径、长度和手性)等。文章主要对聚合物/碳纳米管复合材料的研究现状进行综述，并对其所面临的挑战进行讨论。

1 聚合物/碳纳米管复合材料的制备

聚合物/碳纳米管复合材料的制备方法主要有三种：液相共混、固相共融和原位聚合方法，其中以共混法较为普遍。

1.1 溶液共混复合法

溶液法是利用机械搅拌、磁力搅拌或高能超声将团聚的碳纳米管剥离开来，均匀分散在聚合物溶液中，再将多余的溶剂除去后即可获得聚合物/碳纳米管复合材料。这种方法的优点是操作简单、方便快捷，主要用来制备膜材料。Xu et al[8]和Lau et al.[9]采用这种方法制备了CNT/环氧树脂复合材料，并报道了复合材料的性能。除了环氧树脂，其它聚合物(如聚苯乙烯、聚乙烯醇和聚氯乙烯等)也可采用这种方法制备复合材料。

1.2 熔融共混复合法

熔融共混法是通过转子施加的剪切力将碳纳米管分散在聚合物熔体中。这种方法尤其适用于制备热塑性聚合物/碳纳米管复合材料。该方法的优点主要是可以避免溶剂或表面活性剂对复合材料的污染，复合物没有发现断裂和破损，但仅适用于耐高温、不易分解的聚合物中。Jin et al.[10]采用这种方法制备了 PMMA/ MWNT 复合材料，并研究其性能。结果表明碳纳米管均匀分散在聚合物基体中，没有明显的损坏。复合材料的储能模量显著提高。

1.3 原位复合法

将碳纳米管分散在聚合物单体，加入引发剂，引发单体原位聚合生成高分子，得到聚合物/碳纳米管复合材料。这种方法被认为是提高碳纳米管分散及加强其与聚合物基体相互作用的最行之有效的方法。Jia et al.[11]采用原位聚合法制备了PMMA/SWNT 复合材料。结果表明碳纳米管与聚合物基体间存在强烈的黏结作用。这主要是因为 AIBN 在引发过程中打开碳纳米管的 π 键使之参与到 PMMA 的聚合反应中。采用经表面修饰的碳纳米管制备 PMMA/碳纳米管复合材料，不但可以提高碳纳米管在聚合物基体中的分散比例，复合材料的机械力学性能也可得到巨大的提高。

2 聚合物/碳纳米管复合材料的研究现状

2.1 聚合物/碳纳米管结构复合材料

碳纳米管因其超乎寻常的强度和刚度而被认为是制备新一代高性能结构复合材料的理想填料。近几年，科研人员针对聚合物/碳纳米管复合材料的机械力学性能展开了多方面的研究，其中，最令人印象深刻的是随着碳纳米管的加入，复合材料的弹性模量、抗张强度及断裂韧性的提高。

提高聚合物机械性能的主要问题是它们在聚合物基体内必须有良好的分散和分布，并增加它们与聚合物链的相互作用。通过优化加工条件和碳纳米管的表面化学性质，少许的添加量已经能够使性能获得显著的提升。预计在定向结构(如薄膜和纤维)中的效率最高，足以让其轴向性能发挥到极致。在连续纤维中的添加量，单壁碳纳米管已经达到 60 %以上，而且测定出的韧度相当突出。另外，只添加了少量多壁或单壁纳米管的工程纤维，其强度呈现出了较大的提升。普通纤维的直径仅有几微米，因此只能用纳米尺度的添加剂来对其进行增强。孙艳妮等[12]将碳纳米管羧化处理后再与高密度聚乙烯(HDPE)复合，采用熔融共混法制备了碳纳米管/高密度聚乙烯复合材料，并对其力学性能进行了研究。结果表明：碳纳米管的加入，提高了复合材料的屈服强度和拉伸模量，但同时却降低了材料的断裂强度和断裂伸长率。Liu 等[13]采用熔融混合法制得了 MWNT/PA6(尼龙 6)复合材料，结果表明，CNTs 在 PA6基体中得到了非常均匀的分散，且 CNTs 和聚合物基体间有非常强的界面粘接作用，加入 2 wt%(质量分数)的 MWNTs 时，PA6 的弹性模量和屈服强度分别提高了 214 %和 162 %。总之，碳纳米管对复合材料的机械性能的影响，在很大程度上取决于其质量分数、分散状况以及碳纳米管与基质之间的相互作用。其他因素，比如碳纳米管在复合材料中的取向，纤维在片层中的取向，以及官能团对碳纳米管表面改性的不均匀性，也可能有助于改善复合材料的最终机械性能。

2.2 聚合物/碳纳米管功能复合材料

2.2.1 导电复合材料

聚合物/碳纳米管导电复合材料是静电喷涂、静电消除、磁盘制造及洁净空间等领域的理想材料。GE 公司[14]用碳纳米管制备导电复合材料，碳纳米管质量分数为 10 %的各种工程塑料如聚碳酸酯、聚酰胺和聚苯醚等的导电率均比用炭黑和金属纤维作填料时高，这种导电复合材料既有抗冲击的韧性，又方便操作，在汽车车体上得到广泛应用。LNP 公司成功制备了静电消散材料，即在 PEEK 和 PEI 中添加碳纳米管，用以生产晶片盒和磁盘驱动元件。它的离子污染比碳纤维材料要低65 %～90 %。日本三菱化学公司也成功地用直接分散法生产出了含少量碳纳米管的 PC 复合材料，其表面极光洁，物理性能优异，是理想的抗静电材料[15]。另外，聚合物/碳纳米管导电复合材料的电阻可以随外力的变化而实现通-断动作，可用于压力传感器以及触摸控制开关[16]；利用该材料的电阻对各种化学气体的性质和浓度的敏感性，可制成各种气敏探测器，对各种气体及其混合物进行分类，或定量化检测和监控[17]；利用该材料的正温度效应，即当温度升至结晶聚合物熔点附近时，电阻迅速增大几个数量级，而当温度降回室温后，电阻值又回复至初始值，可应用于电路中自动调节输出功率，实现温度自控开关[18]。

2.2.2 导热复合材料

许多研究工作证明，碳纳米管是迄今为止人们所知的最好的导热材料。科学工作者预测，单壁碳纳米管在室温下的导热系数可高达 6600 W/mK[19]，而经分离后的多壁碳纳米管在室温下的导热系数是 3000～6600 W/mK。由此可以想象，碳纳米管可显著提高复合材料的导热系数及在高温下的热稳定性[20]。Wu 等[21]制 备 了 多 壁 碳 纳 米 管 / 高 密 度 聚 乙 烯(MWNTs/HDPE)复合材料，并对其热性能进行了深入的研究，实验结果表明：导热系数随着 MWNTs 含量的增加而升高。当MWNTs 的质量分数达到 38 h，混合材料的导热系数比纯HDPE 的高三倍多。徐化明等[22]采用原位聚合法制备的阵列碳纳米管/聚甲基丙烯酸甲酯纳米复合材料，在氮气和空气气氛下，复合材料的热分解温度比基体材料分别提高了约 100 和60 ℃。在导热性能上，阵列碳纳米管的加人使得复合材料的导热系数达到 3.0 W/mK，比纯 PMMA 提高了将近 13 倍。

2.2.3 其它功能复合材料

在碳纳米管/聚合物功能复合材料方面最近有南昌大学纳米技术工程研究中心[23]研制的一种多壁碳纳米管/环氧树脂吸波隐身复合材料。通过对多壁碳纳米管进行高温 NaOH 处理，使碳管在其表面产生较多的孔洞，提高碳纳米管的表面活性；制备的吸波隐身复合材料具有良好的雷达吸波效果和可控吸收频段，这种吸波复合材料的体积电阻率在 106~107 ·cm 数量级，具有优良的抗静电能力，这对于调整雷达吸波材料的吸波频段和拓宽吸波频宽有着重要意义。美国克莱姆森大学Rajoriat[24]用多壁碳纳米管对环氧树脂的阻尼性能进行了研究，发现碳纳米管树脂基复合材料比纯环氧树脂的阻尼比增加了大约 140 %。

3 制备碳纳米管聚合物复合材料中存在的问题

3.1 碳纳米管在基体中的分散问题

碳纳米管的长径比大，表面能高，容易发生团聚，使它在聚合物中难以均匀分散。如何让碳纳米管在聚合物基体中实现均匀分散是当前需要解决的首要难题。经表面改性的碳纳米管可均匀分散在聚合物基体中，可以利用化学试剂或高能量放电、紫外线照射等方法处理碳纳米管，引入某些特定的官能团。Liu J 等[25]首先采用体积比为 3∶1 的浓硫酸和浓硝酸对単壁碳纳米管进行氧化处理，得到了端部含羧基的碳纳米管，提高其在多种溶剂中的分散性。ChenQD[26]将碳纳米管用等离子射线处理后引入了多糖链。还可运用机械应力激活碳纳米管表面进行改性，通过粉碎、摩擦、超声等手段实现。

3.2 碳纳米管的取向问题

碳纳米管在聚合物中的取向应符合材料受力的要求，研究表明，通过一定的加工例如机械共混剪切可以改善碳纳米管在聚合物中的取向，从而进一步改善复合材料的性能。Jin L[27]将多壁碳纳米管溶解于一种热塑性聚合物溶液中，蒸发干燥制备出碳纳米管呈无序分散状态的薄膜，然后在其软化温度之上加热并用恒定负荷进行机械拉伸，使其在负荷下冷却至室温，发现通过机械拉伸复合物可以实现碳纳米管在复合物中的定向排列。

3.3 复合材料成型问题

当前碳纳米管/聚合物复合材料的成型一般采取模压、溶液浇铸等手段，模压操作简单、易于工业化，但在降温过程中，样品由于内外温差较大会发生表面开裂等问题；溶液浇铸形成的样品不受外界应力等因素的影响，但除去溶剂过程较长，碳纳米管易发生团聚。

此外，聚合物进行增强改性所用的填料由原来微米级的玻璃纤维、有机纤维等发展到如今的碳纳米管，填料尺寸上的变化使复合物材料原有的加工技术和表征手段都面临着新的挑战，需要在今后大力发展原子水平的新型加工技术和表征手段，以适应碳纳米管聚合物复合材料发展的需要。

4 结语

碳纳米管以其独特的性能正在越来越多领域得到应用，随着科学技术的进步当前碳纳米管复合材料制备过程中存在的各种问题会逐渐得到解决，总有一天纳米技术会真正走到人们的现实生活当来，给人们的生活带来翻天覆地的改变。

参考文献

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[2]Wong E W，Sheehan P E，Lieber C M．Nanobeam mechanics：elasticity，strength，and toughness of nanorods and nanotubes[J]．Science，1997，277：1971-1975．

[3]Kim P，Shi L，Majumdar A，et al．Thermal transport measurements ofinpidual multiwalled nanotubes[J]．Physical Review Letters，2001，87：215-221．

[4]Cornwell C F，Wille L T．Elastic properties of single-walled carbonnanotubes in compression[J]．Solid State Communications，1997，101：555-558．

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[6]Lu J P．Elastic properties of carbon nanotubes and nanoropes[J]．PhysicalReview Letters，1997，79：1297-1300．

[7]Yakobson B I，Brabec C J，Bernholc J．Nanomechanics of carbon tubes：instabilities beyond linear response[J]．Physical Review Letters，1996，76：2511-2514．

[8]Xu X J，Thwe M M，Shearwood C，Liao K．Mechanical properties andinterfacial characteristics of carbon-nanotube-reinforced epoxy thinfilms[J]．Applied Physics Letters，2002，81：2833-2835．

[9]Lau K T，Shi S Q，Cheng H M．Micro-mechanical properties andmorphological observation on fracture surfaces of carbon nanotube compositespre-treated at different temperatures[J]．Composites Science and Technology，2003，63：1161-1164．

纳米复合材料范文第2篇

［关键词］高聚物纳米复合材料

一、 纳米材料的特性

当材料的尺寸进入纳米级，材料便会出现以下奇异的物理性能：

1、尺寸效应

当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或投射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体的边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面附近原子密度减小，导致声、光电、磁、热、力学等特性呈现出新的小尺寸效应。如当颗粒的粒径降到纳米级时，材料的磁性就会发生很大变化，如一般铁的矫顽力约为80a/m，而直径小于20nm的铁，其矫顽力却增加了1000倍。若将纳米粒子添加到聚合物中，不但可以改善聚合物的力学性能，甚至还可以赋予其新性能。

2、表面效应

一般随着微粒尺寸的减小，微粒中表面原子与原子总数之比将会增加，表面积也将会增大，从而引起材料性能的变化，这就是纳米粒子的表面效应。

纳米微粒尺寸d（nm） 包含总原子表面原子所占比例（%）103×1042044×1034022.5×1028013099从表1中可以看出，随着纳米粒子粒径的减小，表面原子所占比例急剧增加。由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，很容易与其它原子结合。若将纳米粒子添加到高聚物中，这些具有不饱和性质的表面原子就很容易同高聚物分子链段发生物理化学作用。

3、量子隧道效应

微观粒子贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，这称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。它的研究对基础研究及实际应用，如导电、导磁高聚物、微波吸收高聚物等，都具有重要意义。

二、高聚物/纳米复合材料的技术进展

对于高聚物/纳米复合材料的研究十分广泛，按纳米粒子种类的不同可把高聚物/纳米复合材料分为以下几类：

1、高聚物/粘土纳米复合材料

由于层状无机物在一定驱动力作用下能碎裂成纳米尺寸的结构微区，其片层间距一般为纳米级，它不仅可让聚合物嵌入夹层，形成“嵌入纳米复合材料”，还可使片层均匀分散于聚合物中形成“层离纳米复合材料”。其中粘土易与有机阳离子发生交换反应，具有的亲油性甚至可引入与聚合物发生反应的官能团来提高其粘结。其制备的技术有插层法和剥离法，插层法是预先对粘土片层间进行插层处理后，制成“嵌入纳米复合材料”，而剥离法则是采用一些手段对粘土片层直接进行剥离，形成“层离纳米复合材料”。

2、高聚物/刚性纳米粒子复合材料

用刚性纳米粒子对力学性能有一定脆性的聚合物增韧是改善其力学性能的另一种可行性方法。随着无机粒子微细化技术和粒子表面处理技术的 发展 ，特别是近年来纳米级无机粒子的出现，塑料的增韧彻底冲破了以往在塑料中加入橡胶类弹性体的做法。采用纳米刚性粒子填充不仅会使韧性、强度得到提高，而且其性价比也将是不能比拟的。

3、高聚物/碳纳米管复合材料

碳纳米管于1991年由s.iijima 发现，其直径比碳纤维小数千倍，其主要用途之一是作为聚合物复合材料的增强材料。

碳纳米管的力学性能相当突出。现已测出碳纳米管的强度实验值为30－50gpa。尽管碳纳米管的强度高，脆性却不象碳纤维那样高。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。同时，由于纳米管的本身长度极短而且柔曲性好，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。

三、前景与展望

在高聚物/纳米复合材料的研究中存在的主要问题是：高聚物与纳米材料的分散缺乏专业设备，用传统的设备往往不能使纳米粒子很好的分散，同时高聚物表面处理还不够理想。我国纳米材料研究起步虽晚但 发展 很快，对于有些方面的研究工作与国外相比还处于较先进水平。如：漆宗能等对聚合物基粘土纳米复合材料的研究；黄锐等利用刚性粒子对聚合物改性的研究都在学术界很有影响；另外，四川大学高分子 科学 与工程国家重点实验室发明的磨盘法、超声波法制备聚合物基纳米复合材料也是一种很有前景的手段。尽管如此，在总体水平上我国与先进国家相比尚有一定差距。但无可否认，纳米材料由于独特的性能，使其在增强聚合物应用中有着广泛的前景，纳米材料的应用对开发研究高性能聚合物复合材料有重大意义。特别是随着廉价纳米材料不断开发应用，粒子表面处理技术的不断进步，纳米材料增强、增韧聚合物机理的研究不断完善，纳米材料改性的聚合物将逐步向 工业 化方向发展，其应用前景会更加诱人。

参考 文献 ：

［1］ 李见主编.新型材料导论.北京：冶金工业出版社，1987.

纳米复合材料范文第3篇

【关键词】碳纳米管；复合材料；结构体

引言

纳米技术是世界上非常先进的一种科学技术，同时纳米技术的出现也标志着人类改造自然的能力已经深入到了原子与分子水平，如今纳米概念已经渗入到； 力学、物理学、电子学、机械学以及材料科学等多种领域。碳纳米管（CNTs）是由日本学者Iijina发现的，碳纳米管具有独特的结果与良好的物理与化学性能，因此吸引了许多相关领域的研究者，并且如今已取得了一定的成果。碳纳米管因为其独特的结构，使得这种材料具有高强度、高韧性以及极强的导电性能，并且这种材料还具有很好的热性能，其热稳定性与化学稳定性都非常好，因此具有很好的应用发展前景。而CNTs聚合物基复合材料是一种以CNTs为增强体、聚合物为基体的复合材料，这种复合材料从工程应用上可分为结构符合材料与功能复合材料，因此要想了解碳纳米管在聚合物基复合材料中的应用，需要从这两种材料进行分析。

1CNTs/聚合物结构复合材料

1.1CNTs的结构与力学性能

CNTs是一种石墨面六边形网络格所组成的管状物，一般是有单层或多层同轴管组成，其直径一般是在几纳米在几十纳米之间，层次之间的距离一般是0.34nm，长度一般可以到到数微米。

通过相关的计算以及实验检查发现，CNTs具有极高的强度以及极强韧性，并且CNTs在透射电镜下观察发现，CNTs的杨氏模量能够达到1. 0 TPa以上，大约是钢的100倍，同时还发现CNTs还具有很高的伸张强度，已经达到了（45±7）GPa，是一般高强度钢材的20倍，并且根据相关理论与实验的结果发现，CNTs具有很好的韧性，其弯曲角度超过了110度，因此这种材料被认为是最理想的聚合物复合材料的增强材料[1]。

1.2CNTs聚合物结构复合材料的力学性能

CNTs具有非常强的力学性能，因此这种材料能够大大改善聚合物复合材料的强度与韧性，通过采用原位法复合CNTs与PA6得到了C-O-C化学见连接，同时CNTs在基体PA6中分散均匀的CNTs/PA6复合材料，这样就能够将其抗拉强度大大的提高，并且能够让这种材料保持非常高的冲击韧性以及延伸率，当CNTs用量达到了15%的时候，就能够将复合材料的抗拉强度提升到130Mpa，冲击的韧性也会得到很大程度上的提高，其韧性能够达到403 kJ?m-2，而其延伸率能够达到31%。

聚苯乙烯（PS）这种材料因为硬度以及刚性都非常好，并且价格也非常的低廉，因此得到了广泛的应用。但是这种材料比较脆，耐热性也比较低，从而限制了这种材料的发展，通过原位聚合法将CNTs应用进PS中之后，得到了CNTs/PS复合材料，通过相应的检测发现，当CNTs的含量达到1.0%的时候，这种材料的力学性能最好，同更是拉伸度也能够达到26.1MPa，其冲击韧性能够达到1.16 kJ/m2，延伸率能够达到7.62%，同时通过相关的调查研究表明，聚苯乙烯在自由基集合过程中加入CNTs时并没有阻碍反应[2]，并且还能够增加聚苯乙烯的聚合程度，这同样是引起这种复合材料力学性能增加的一个主要原因。

2CNTs/聚合物功能复合材料

2.1电学性能

CNTs不仅具有良好的物理性能以及电学性能，并且还具有独特的电学性质。因为CNTs主要是由碳原子的六角点阵二维石墨片卷曲而成的纳米级管，在这中材料中会有大量的电子在单层的石墨片中沿纳米管的进行轴向运动，这样就会使得CNTs具有半导体以及金属的性能。同时因为CNTs是一种纤维结构，因此这种材料能够均匀的分布在聚合物材料中，因此同样会在聚合物基体中形成一种导电的通道，如果在应用的过程中增加的量较少，就能够形成永久的抗静电材料，如果量增加过多的话还会成为一种导电材材料。通过将CNTs应用到三元乙丙橡胶（EPDM）复合材料，通过对其电学性能的研究发现，随着CNTs用量的增加，其橡胶的导电性也在逐渐的增加，当CNTs 的含量增加10粪的时候，就能够让这种复合材料的导电性能大大的增加，这是因为当CNTs含量较少的时候，并没有在复合材料中形成导电通路，但是当达到10份的时候，就能够形成导电通道[3]。

2.2光学性能

CNTs不仅具有独特的电学学性能，同样还具有独特的光学性能，通过大量的实验研究发现，CNTs从可见光带红外区都有广泛的光限幅性能。人们将CNTs与一些共扼聚合物复合能够得到良好的具有光学特性的聚合物。比如在苯乙炔（PPA）中加入CNTs，再通过原位聚合复合就能够得到PPA/CNTs复合材料，这种复合材料具有很强的光稳定性，当光的辐射强度达到10J/cm2的时候，复合材料中的CNTs就能够有效的防止复合材料产生光降解，因此其具有有效的光限幅性。并且Curran等还通过实验研究发现，应用了CNTs材料PmPv/CNTs复合材料的荧光要比纯聚合物的荧光更微弱，这样能够将光至光效应提升35%。

3结语

碳纳米管是一种在力学性能、化学性能以及热稳定性上都非常好的材料，并且其独特的纳米结构能够成为复合材料最理想的增强体，并且会赋予复合材料许多新的功能，因此碳纳米管的应用前景是非常广阔的。但是如今碳纳米管的市场价格非常的高，因此目前还无法实现大规模的应用。通过本文对碳纳米管在聚合物基复合材料中的应用分析，也可以了解到碳纳米管的应用价值，而如今国外正尝试新的碳纳米管生产技术，希望能够减低其生产成本，因此希望我国也能够加强这方面的研究。

【参考文献】

[1]陈卫祥，陈文录，徐铸德.碳纳米管的特性及其高性能的复合材料[J].复合材料学报，2023（04）.

纳米复合材料范文第4篇

关键词：碳纳米管；增韧；氮化硅陶瓷；复合材料

碳纳米管主要是由单层或者是多层圆柱石墨片而组成的，所以碳纳米管分为单壁和多壁之分[1]。当前，碳纳米管增韧氮化硅陶瓷作为复合材料，需要人们加大对其的研究力度，进而提升材料的抗热震性能，并加强其材料的应用，使得碳纳米管氮化硅陶瓷复合材料的增韧性有明显提升。

1实验

1.1原料

本次对碳纳米管增韧氮化硅陶瓷复合材料进行研究过程中，试验原料包含氮化硅（Si3N4）、氧化钇（Y2O3）、氧化铝（Al2O3）、乙醇（C2H2）、石墨纸（C）、氮气（N2）。SiN4是上海硅酸盐研究所生产的，的含量超过85%，而且费氏粒度达到1.2μm，在实验过程中，在碳纳米管内加入浓硝酸和浓硫酸混合液，配比为3：1。在碳纳米管中加入添加剂MgO和CeO2，试样原料的配比具体如表1所示。

1.2工艺流程

实验人员预先对碳纳米管进行处理，按照一定比例予以分配，在塑料筒内将酒精和硬质的合金球加以湿磨处理，磨好后的混合料在干燥的环境下过筛[2]。此外，称取少量的粉末，将其放入石墨模具中，按照设定的烧结工艺其进行烧结，最后，对烧结试样的硬度、密度和韧性等指标予以测量，并利用显微镜对试样断面的显微结构和晶相结构予以分析[3]。在烧结过程中，利用热压烧结方式，以15℃/min的速度将温度分别升至1600℃、1650℃、1700℃、1750℃，保温1h，在氮气保护下，保证压力为30Mpa，然后炉内的温度在自然状态下与室内温度一致。

1.3测试

对试样的测试方法具体如下：密度根据国标GB2413-18，并结合阿基米德定律，测量干燥试样的质量m1，试样吸水饱和质量为m2，在水中的质量为m3，然后代入公式求得试样体积密度ρ0=m1ρ0/（m2-m3），其中，ρ0为室温下液体水的密度，根据室温查有关表查得ρ0值[4]。烧结试样的理论密度计算公式为：1/d=n1/d1+n2/d2+n3/d3......+nm/dm），然后利用排水法测量密度，除以理论密度就能够求得试样的相对密度[5]。测量材料的断裂韧性和硬度需要采用压痕法，本次加载压力为1kg，加载时间为40s，断裂韧性的计算公式为KIC=0.016（E/HV）1/2P/b3/2。式中的Hv是硬度，GPa；E为弹性模量，MPa，P为载荷，N；B为裂纹半长，单位是mm。通过用扫描电镜对断口形貌，在测试时，加速电压为25kV，粉分辨率为6nm。

2结果与讨论

2.1氮化硅陶瓷复合材料的力学性能

通过对碳纳米管进行试验研究表明，当烧结温度为1600℃、1650℃、1700℃时，试样的硬度和密度随着碳纳米管的的加入而减少，碳纳米管的加入不利于改善氮化硅陶瓷复合材料性能。烧结温度为1750℃，在碳纳米管中加入0.99%试样，其断裂韧性和硬度最佳，分别为7.47MPa°m1/2和16GPa，与未加入相比，提升了6%。如果碳纳米管的加入量增加时，试样的力学性能下降，氮化硅陶瓷的烧结温度提升[6]。

2.2氮化硅陶瓷复合材料的显微结构

通过对氮化硅陶瓷复合材料结构进行显微观察，晶粒发育比较良好，致密度也很高，而且有细长柱状的β-SiN3和等轴状的α-SiN。

2.3实验结果分析

通过实验结果表明，碳纳米管的作用主要为如下几个方面，第一，能够进行氮化硅陶瓷材料的孔隙，复合材料的致密度低。第二，在烧结过程中，碳纳米管能够阻碍复合材料的融合，降低致密度。如果碳纳米管的含量低，可以被氮化硅粉末分散，达到填充的效果，避免结团；当其含量增加时，致密度下降。如果碳纳米管的加入量少于1%，氮化硅材料的纤维和致密度、硬度都增加；若加入量少于2%，致密度下降，并出现碳纳米管粘连的现象，纤维长径比减小，隔断了氮化硅的连续性。在本次实验中，碳纳米管的最佳加入量为1%。试验的断裂为沿晶断裂，而且碳纳米管分布不均匀，粘结较少，在断口处能将碳纳米管拔出。此外，碳纳米管和氮化硅的热膨胀匹配性较好[7]。

3结束语

在1700℃热压下进行烧结，并配合MgO和CeO2复合烧助剂的使用，能够降低烧结温度，获取高致密度的SiN4制品。烧结温度为1600℃、1650℃、1700℃时，碳纳米管增加，但氮化硅陶瓷的相对硬度和密度减少，如果碳纳米管含量为0.99%，则氮化硅陶瓷复合材料的韧性提升6%，如果过度的增加，将起到相反效果。碳纳米管增韧氮化硅复合材料主要靠纤维拔出机制，从而提升氮化硅陶瓷的韧性[8]。

参考文献

[1]王伟礼.氮化硼纳米管的制备及其对氧化铝和氮化硅陶瓷的强韧化作用[D].山东大学，2023.

[2]张蕾.氮化硅及碳化硅陶瓷复合材料高温压缩变形行为的研究[D].哈尔滨工业大学，2023.

[3]余娟丽，李森，吕毅，等.冷冻注凝制备氮化硅陶瓷基耐高温复合材料[J].硅酸盐学报，2023，43（6）：723-727.

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[5]王灿，王艳莉，詹亮，等.碳纳米管“种子”上生长碳纳米管和氮掺杂碳纳米管[J].新型炭材料，2023，26（2）：81-84.

[6]李根，杨杨.采用两种不同烧结方法制备的氮化硅基纳米复合材料[J].耐火与石灰，2023，37（5）：53-56.

[7]张国富，杨杨.研磨时间对Si3N4纳米复合材料烧结动力学的影响[J].耐火与石灰，2023，36（6）：49-51.

纳米复合材料范文第5篇

LRV-17　Long　Range　Vessel主要是由碳纤维加强复合材料构成的并采用碳纳米管加以巩固。它使用Arovex碳纤维纳米复合材料系统，其目的是减轻重量并提高燃料燃烧率和扩大燃料范围。该舰艇的行驶范围超过1500海里，超过同等规模舰艇行驶范围的3倍。该舰艇的冲刺速度超过40海里。

2023年，Zyvexz　Marine公司首次展示了Piranha　Unmanned　Surface　Vessel（食人鱼无人驾驶水面舰艇）的模型，这是LRV-17舰艇的前身，并于2023年的进行了第一次航行。Piranha是由该公司的母公司Zyvex　Technologies　生产的，也采用了Arovex碳纳米材料。Arovex是同类材料中第一个应用于商业的。

Zyvex公司表示，新型舰艇的深V型船体使用了一个有源的陀螺仪稳定器，来减少人体疲劳的因素，并加强海上的操作。该舰艇仅需两名操作员，最多可容纳4名非操作人员达5天以上。该舰艇57英尺长，携带1700加仑的燃料，并有11.9英尺高的衡梁和2.33英尺长的出水管。

迪拜全球海上安全解决方案（GMSS）出于各种海上安全因素的考虑将该舰艇部署在非洲和其他区域的海上。该舰艇的主要用途之一是对抗海盗，保护其他船只。GMSS预计使用安全小组，每组操控两艘LRV-17舰艇，来保护新型商船护航计划中的其他船只。

GMSS的总经理Rhynhardt　Berrange在一次新闻会上说：“新型LRV-17舰艇是海洋安全规则的改变者，因为它们是唯一能够远程护航并高速处理多个海盗威胁的舰艇。　只需要小型安全团队就能有效操作该舰艇。这些属性造就了一个具有成本效益的平台来确保海上安全。新型舰艇预计将延迟问世，它能帮助阻止海盗的试探和进攻。”