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碳纳米管/聚合物复合材料电学性能研究

作　者: 高建龙
导　师: 戴剑锋
学　校: 兰州理工大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 碳纳米管复合材料电导率渗流阈值有效介质理论
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

自碳纳米管(carbon nanotubes CNTs)发现以来,由于其极高的强度、韧性、以及极大的长径比和优良的导电性能,使其有望成为复合材料理想的增强体。近年来,碳纳米管/聚合物复合材料的研究已经成为新材料研究的热点。聚合物一般具有加工性能好,密度低,机械性能好等优点,但是传统聚合物导电性能差。共轭导电聚合物虽然具有相对较好的导电性,但是加工性能差,因此很大程度上限制了其广泛的应用。由于碳纳米管具有优良的导电性能和极大的长径比,如果把少量的碳纳米管加入到聚合物基体中,可以在保持聚合物优良的加工特性和低密度等优点的同时,极大得改善复合材料的导电性。因此碳纳米管改性聚合物复合材料在电磁屏蔽、静电喷涂、静电消除等领域具有非常大的应用前景。碳纳米管在基体中的无序分布制约了复合材料在场发射,纳米电子器件等众多领域内的应用。为了实现碳纳米管的高度有序定向排列,在基体材料溶液浇铸过程中,采用反复机械拉伸的方法,即将半干状态的单壁碳纳米管(Single-walled carbonnanotubes,SWNTs),/双酚A型环氧树脂(E51)复合体系沿同一方向反复拉伸,合成了SWNTs定向排列并均匀分散的SWNTs/E51复合材料。SEM照片分析表明,SWNTs沿拉伸方向排列且均匀分散。实验结果显示SWNTs/E51复合材料的电导率、机械性能得到明显提高,并表现出清晰地渗流现象和显著各向异性。与垂直于拉伸方向相比,复合材料沿拉伸方向具有更高的电导率及更低的渗流阈值。本文基于有效介质理论(Effective-Medium Theory EMA)模拟计算了单壁碳纳米管定向排列的SWNTs/环氧树脂(epoxy resin)复合材料的电导率及渗流阂值,很好地解释了传统理论所不能解释的电导率的低突增现象,在SWNTs/epoxy复合材料中表现出非常低的渗流阈值和强烈地各向异性。很容易看到,在SWNTs/epoxy复合材料中,当SWNTs的含量大于复合材料渗流阈值时,少量的SWNTs可极大地提高复合材料的电导率,同时复合材料的电导率及渗流阈值强烈地依赖于CNTs的定向度、长径比和结构。通过计算复合材料电导率的增长率随CNTs含量的关系曲线,可确定出当碳纳米管的长径比为500时,复合材料电导率的渗流阈值为0.0035 vol%。理论模拟的结果与实验基本符合,并对二者存在的差异给予了合理的解释。

碳纳米管/聚合物复合材料电学性能研究

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