碳納米管(CNTs)是在一定條件下由大量碳原子聚集在一起形成的同軸空心管狀的納米級材料，它的徑向尺寸為納米數(shù)量級，軸向尺寸為微米數(shù)量級，屬于碳同位素異構(gòu)體家族中的一個新成員，是理想的一維量子材料。
自從1991年Iijiman發(fā)現(xiàn)CNTs以來，它的優(yōu)良性能引起了人們廣泛深入的研究[2叫]。然而CNTs不溶于一般的有機溶劑，并且其表面特性接近于石墨，使其表面呈化學(xué)惰性，從而限制了其應(yīng)用范圍。從目前文獻報道的情況看，解決這些問題的最有效的方法是對CNTs表面進行改性，增加其分散性、化學(xué)活性等。其表面改性通常
采取的方法是：首先通過不同的氧化處理在CNTs的端口或缺陷處引人羧基等活性基團，然后再由酯化或酰胺化反應(yīng)等對其進行進一步的接枝改性。
由于CNTs具有與聚合物相似的結(jié)構(gòu)，可以與之復(fù)合制成高性能的復(fù)合材料。此類復(fù)合材料在電子器件、吸波隱身材料和其它結(jié)構(gòu)材料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。作者針對CNTs／聚合物復(fù)合材料的制備方法、結(jié)構(gòu)表征方法、性能及應(yīng)用等方面的研究進展情況進行了綜述。
CNTs／聚合物復(fù)合材料性能
CNTs具有優(yōu)于銅的導(dǎo)電性，可以取代金屬填料用來制備有機復(fù)合導(dǎo)電材料。因為CNTs與有機物的相容性優(yōu)于金屬，故材料的性能更加穩(wěn)定，而且質(zhì)量更輕，同時CNTs高達l000的長徑比可以極大地降低復(fù)合材料的滲濾閾值，這是其它填料無法達到的。喻光輝等[163人利用超聲分散和原位聚合的方法制備了聚氨酯／碳納米管PUR／CNTs)復(fù)合材料，在CNTs質(zhì)量分數(shù)為0．5％時復(fù)合材料的導(dǎo)電性能得到明顯的提高，可用作抗電材料。徐化明等[17]人采用原位聚合法制取了聚甲基丙烯酸甲酯／定向納米碳管(PM—MA／ACNTs)復(fù)合材料。ACNTs的加入，使得PMMA從絕緣體變成了定向和橫向電導(dǎo)率分別為15 S／cm和4 S／cm的良導(dǎo)體，電導(dǎo)率提高了18個數(shù)量級。PMMA／ACNTs復(fù)合材料的縱向和橫向的電導(dǎo)率不同，表現(xiàn)出很強的各向異性，并且隨著溫度升高，兩個方向的電導(dǎo)率都提高，各向異性增強。加入CNTs使復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性有了大幅度的提高，在氮氣和空氣氣氛下，復(fù)合材料的熱分解溫度比基體材料分別提高了約100℃和60℃。在導(dǎo)熱性能上，ACNTs的加入使得PMMA／ACNTs復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)達到3．0w／m·K，與基體PMMA相比提高了將近13倍。f Wu等[18]人制備了多壁碳納米管／高密度聚乙烯(MWNTs／HDPE)復(fù)合材料，并對其熱性能做了深入的研究，實驗結(jié)果表明：導(dǎo)熱系數(shù)隨著MWNTs含量的增加而升高。當MWNTs的質(zhì)量分數(shù)達到38％時，混合材料的導(dǎo)熱系數(shù)比純HDPE的高三倍多。
CNTs／聚合物復(fù)合材料的力學(xué)性能
將酸化處理以后的CNTs與高密度聚乙烯(HDPE)復(fù)合，采用機械共混法制備定向CNTs／HDPE復(fù)合材料，對其力學(xué)性能進行了研究。結(jié)果表明：CNTs的加入，提高了復(fù)合材料的屈服強度和拉伸模量，但同時卻降低了材料的斷裂強度和斷裂伸長率。利用CNTs對酚醛樹脂(PF)進行改性，研究CNTs含量對PF／碳纖維(CF)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。研究表明，CNTs能夠明顯提高PF／CF復(fù)合材料的力學(xué)性能，當CNTs的質(zhì)量分數(shù)為0．5％時，復(fù)合材料的彎曲強度達到最大值(891．8
MPa)，與未加入CNTs時相比提高了168．4 MPa，而彎曲彈性模量降低了9．5 GPa；當CNTs的質(zhì)量分數(shù)為1．5％時，復(fù)合材料的壓縮強度、層間剪切強度、沖擊強度均達到最大值，與未加入CNTs時相比，分別提高了10．4％、79．2％、71．9％。
CNTs／聚合物復(fù)合材料的其它性能
(1)摩擦學(xué)性能
以CNTs為填料制備了聚四氟乙烯(PTFE)基復(fù)合材料，并研究了該復(fù)合材料在干摩擦條件下與不銹鋼對摩時的摩擦磨損行為。實驗結(jié)果表明，CNTs／PTFE復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨著CNTs含量的增加呈降低的趨勢，其耐磨性能明顯優(yōu)于純PTFE。當CNTs的體積分數(shù)為15％～20％時，其抗磨性能最好。SEM觀察發(fā)現(xiàn)純PTFE的斷面上分布著大量的帶狀結(jié)構(gòu)，而填充了CNTs后，則未觀察到這種帶狀結(jié)構(gòu)，這說明CNTs有效地抑制了PTFE結(jié)構(gòu)的破壞。對PTFE和CNTs／PTFE復(fù)合材料的摩擦表面的SEM觀察發(fā)現(xiàn)，前者的摩擦表面分布著較明顯的犁削和粘著磨損的痕跡，而后者的摩擦表面則平整光滑，這表明以CNTs作為填料可有效地抑制PTFE的磨損。
(2)抗靜電性能
人采用共混紡絲的方法將CNTs加入到丙綸中，并且通過測量其摩擦靜電荷量來研究其抗靜電性能的變化。結(jié)果表明：單獨添加少量CNTs難以提高聚丙烯(PP)纖維的抗靜電性能；而添加含有碳納米管的復(fù)合抗靜電劑，可以有效地提高PP纖維的抗靜電性能。
(3)陽燃性能
人利用合成的兩種新型阻燃劑SPS和PTE與聚磷酸銨(APP)及MWNTs復(fù)配，并應(yīng)用于低密度聚乙烯(LDPE)，得到膨脹型阻燃LDPE-MWNTs復(fù)合材料。通過氧指數(shù)(LOI)、垂直燃燒(UL一94)、錐形量熱試驗(CONE)對膨脹型阻燃LDPE／MWNTs復(fù)合材料的阻燃性能和燃燒性能進行了研究。結(jié)果表明，在該膨脹型阻燃體系中，IFR與MWNTs之問存在明顯的協(xié)效阻燃作用，并且大大降低了低密度聚乙烯的可燃性和熱釋放速率(HRR)，而且燃燒后的殘?zhí)剂看蟠笤黾�。實驗的最佳配方可使LDPE的氧指數(shù)值達30．6，UL一94達V一0級。
CNTs／聚合物復(fù)合材料具有優(yōu)良的性能，除具有以上性能外，在微波吸收口。、防紫外線透過[等方面也有相關(guān)的研究。
CNTs／聚合物復(fù)合材料的應(yīng)用
CNTs作為加強相和導(dǎo)電相在納米(聚合物‘31|、陶瓷‘3
2|、金屬‘33]、生物‘343等)復(fù)合材料領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力，其中尤以CNTs／聚合物復(fù)合材料的應(yīng)用研究發(fā)展得最快。將CNTs作為導(dǎo)電涂料的導(dǎo)電介質(zhì)時，其管徑越小，所制得的導(dǎo)電涂料導(dǎo)電性越好。CNTs作為導(dǎo)電涂料的導(dǎo)電介質(zhì)的最佳長徑比約為250。當CNTs長徑比大于250時，所制得的涂料導(dǎo)電性隨長徑比的增大而減��；當CNTs長徑比小于250時，所制得的涂料導(dǎo)電性隨長徑比的增大而增加。一般地，CNTs的含量越高，所制得的涂料導(dǎo)電性越好。當CNTs的質(zhì)量分數(shù)大于或等于0．5(逾滲閾值，時，CNTs在環(huán)氧樹脂中分散得越好，其涂料導(dǎo)電性越好。針對新一代吸波隱身材料要求吸收強、寬頻帶、質(zhì)量輕、厚度薄、功能多、紅外微波吸收兼容以及具有優(yōu)良的其它綜合性能的要求，利用CNTs特殊的電磁吸波特性，以及聚合物優(yōu)良的材料性能，研究開發(fā)CNTs聚合物基復(fù)合吸波功能材料是實現(xiàn)該技術(shù)有效途徑。從吸波材料的隱身機理出發(fā)，闡述了CNTs的電磁吸波特性，著重介紹了CNTs聚合物基吸波隱身復(fù)合材料的最新研究進展，并提出了該類材料今后發(fā)展著重應(yīng)解決的技術(shù)問題。
自從1991年Iijiman發(fā)現(xiàn)CNTs以來，它的優(yōu)良性能引起了人們廣泛深入的研究[2叫]。然而CNTs不溶于一般的有機溶劑，并且其表面特性接近于石墨，使其表面呈化學(xué)惰性，從而限制了其應(yīng)用范圍。從目前文獻報道的情況看，解決這些問題的最有效的方法是對CNTs表面進行改性，增加其分散性、化學(xué)活性等。其表面改性通常
采取的方法是：首先通過不同的氧化處理在CNTs的端口或缺陷處引人羧基等活性基團，然后再由酯化或酰胺化反應(yīng)等對其進行進一步的接枝改性。
由于CNTs具有與聚合物相似的結(jié)構(gòu)，可以與之復(fù)合制成高性能的復(fù)合材料。此類復(fù)合材料在電子器件、吸波隱身材料和其它結(jié)構(gòu)材料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。作者針對CNTs／聚合物復(fù)合材料的制備方法、結(jié)構(gòu)表征方法、性能及應(yīng)用等方面的研究進展情況進行了綜述。
CNTs／聚合物復(fù)合材料性能
CNTs具有優(yōu)于銅的導(dǎo)電性，可以取代金屬填料用來制備有機復(fù)合導(dǎo)電材料。因為CNTs與有機物的相容性優(yōu)于金屬，故材料的性能更加穩(wěn)定，而且質(zhì)量更輕，同時CNTs高達l000的長徑比可以極大地降低復(fù)合材料的滲濾閾值，這是其它填料無法達到的。喻光輝等[163人利用超聲分散和原位聚合的方法制備了聚氨酯／碳納米管PUR／CNTs)復(fù)合材料，在CNTs質(zhì)量分數(shù)為0．5％時復(fù)合材料的導(dǎo)電性能得到明顯的提高，可用作抗電材料。徐化明等[17]人采用原位聚合法制取了聚甲基丙烯酸甲酯／定向納米碳管(PM—MA／ACNTs)復(fù)合材料。ACNTs的加入，使得PMMA從絕緣體變成了定向和橫向電導(dǎo)率分別為15 S／cm和4 S／cm的良導(dǎo)體，電導(dǎo)率提高了18個數(shù)量級。PMMA／ACNTs復(fù)合材料的縱向和橫向的電導(dǎo)率不同，表現(xiàn)出很強的各向異性，并且隨著溫度升高，兩個方向的電導(dǎo)率都提高，各向異性增強。加入CNTs使復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性有了大幅度的提高，在氮氣和空氣氣氛下，復(fù)合材料的熱分解溫度比基體材料分別提高了約100℃和60℃。在導(dǎo)熱性能上，ACNTs的加入使得PMMA／ACNTs復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)達到3．0w／m·K，與基體PMMA相比提高了將近13倍。f Wu等[18]人制備了多壁碳納米管／高密度聚乙烯(MWNTs／HDPE)復(fù)合材料，并對其熱性能做了深入的研究，實驗結(jié)果表明：導(dǎo)熱系數(shù)隨著MWNTs含量的增加而升高。當MWNTs的質(zhì)量分數(shù)達到38％時，混合材料的導(dǎo)熱系數(shù)比純HDPE的高三倍多。
CNTs／聚合物復(fù)合材料的力學(xué)性能
將酸化處理以后的CNTs與高密度聚乙烯(HDPE)復(fù)合，采用機械共混法制備定向CNTs／HDPE復(fù)合材料，對其力學(xué)性能進行了研究。結(jié)果表明：CNTs的加入，提高了復(fù)合材料的屈服強度和拉伸模量，但同時卻降低了材料的斷裂強度和斷裂伸長率。利用CNTs對酚醛樹脂(PF)進行改性，研究CNTs含量對PF／碳纖維(CF)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。研究表明，CNTs能夠明顯提高PF／CF復(fù)合材料的力學(xué)性能，當CNTs的質(zhì)量分數(shù)為0．5％時，復(fù)合材料的彎曲強度達到最大值(891．8
MPa)，與未加入CNTs時相比提高了168．4 MPa，而彎曲彈性模量降低了9．5 GPa；當CNTs的質(zhì)量分數(shù)為1．5％時，復(fù)合材料的壓縮強度、層間剪切強度、沖擊強度均達到最大值，與未加入CNTs時相比，分別提高了10．4％、79．2％、71．9％。
CNTs／聚合物復(fù)合材料的其它性能
(1)摩擦學(xué)性能
以CNTs為填料制備了聚四氟乙烯(PTFE)基復(fù)合材料，并研究了該復(fù)合材料在干摩擦條件下與不銹鋼對摩時的摩擦磨損行為。實驗結(jié)果表明，CNTs／PTFE復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨著CNTs含量的增加呈降低的趨勢，其耐磨性能明顯優(yōu)于純PTFE。當CNTs的體積分數(shù)為15％～20％時，其抗磨性能最好。SEM觀察發(fā)現(xiàn)純PTFE的斷面上分布著大量的帶狀結(jié)構(gòu)，而填充了CNTs后，則未觀察到這種帶狀結(jié)構(gòu)，這說明CNTs有效地抑制了PTFE結(jié)構(gòu)的破壞。對PTFE和CNTs／PTFE復(fù)合材料的摩擦表面的SEM觀察發(fā)現(xiàn)，前者的摩擦表面分布著較明顯的犁削和粘著磨損的痕跡，而后者的摩擦表面則平整光滑，這表明以CNTs作為填料可有效地抑制PTFE的磨損。
(2)抗靜電性能
人采用共混紡絲的方法將CNTs加入到丙綸中，并且通過測量其摩擦靜電荷量來研究其抗靜電性能的變化。結(jié)果表明：單獨添加少量CNTs難以提高聚丙烯(PP)纖維的抗靜電性能；而添加含有碳納米管的復(fù)合抗靜電劑，可以有效地提高PP纖維的抗靜電性能。
(3)陽燃性能
人利用合成的兩種新型阻燃劑SPS和PTE與聚磷酸銨(APP)及MWNTs復(fù)配，并應(yīng)用于低密度聚乙烯(LDPE)，得到膨脹型阻燃LDPE-MWNTs復(fù)合材料。通過氧指數(shù)(LOI)、垂直燃燒(UL一94)、錐形量熱試驗(CONE)對膨脹型阻燃LDPE／MWNTs復(fù)合材料的阻燃性能和燃燒性能進行了研究。結(jié)果表明，在該膨脹型阻燃體系中，IFR與MWNTs之問存在明顯的協(xié)效阻燃作用，并且大大降低了低密度聚乙烯的可燃性和熱釋放速率(HRR)，而且燃燒后的殘?zhí)剂看蟠笤黾�。實驗的最佳配方可使LDPE的氧指數(shù)值達30．6，UL一94達V一0級。
CNTs／聚合物復(fù)合材料具有優(yōu)良的性能，除具有以上性能外，在微波吸收口。、防紫外線透過[等方面也有相關(guān)的研究。
CNTs／聚合物復(fù)合材料的應(yīng)用
CNTs作為加強相和導(dǎo)電相在納米(聚合物‘31|、陶瓷‘3
2|、金屬‘33]、生物‘343等)復(fù)合材料領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力，其中尤以CNTs／聚合物復(fù)合材料的應(yīng)用研究發(fā)展得最快。將CNTs作為導(dǎo)電涂料的導(dǎo)電介質(zhì)時，其管徑越小，所制得的導(dǎo)電涂料導(dǎo)電性越好。CNTs作為導(dǎo)電涂料的導(dǎo)電介質(zhì)的最佳長徑比約為250。當CNTs長徑比大于250時，所制得的涂料導(dǎo)電性隨長徑比的增大而減��；當CNTs長徑比小于250時，所制得的涂料導(dǎo)電性隨長徑比的增大而增加。一般地，CNTs的含量越高，所制得的涂料導(dǎo)電性越好。當CNTs的質(zhì)量分數(shù)大于或等于0．5(逾滲閾值，時，CNTs在環(huán)氧樹脂中分散得越好，其涂料導(dǎo)電性越好。針對新一代吸波隱身材料要求吸收強、寬頻帶、質(zhì)量輕、厚度薄、功能多、紅外微波吸收兼容以及具有優(yōu)良的其它綜合性能的要求，利用CNTs特殊的電磁吸波特性，以及聚合物優(yōu)良的材料性能，研究開發(fā)CNTs聚合物基復(fù)合吸波功能材料是實現(xiàn)該技術(shù)有效途徑。從吸波材料的隱身機理出發(fā)，闡述了CNTs的電磁吸波特性，著重介紹了CNTs聚合物基吸波隱身復(fù)合材料的最新研究進展，并提出了該類材料今后發(fā)展著重應(yīng)解決的技術(shù)問題。
