PLA-PHB碳纳米管复合材料结构与性能的研究_高分子材料与工程专业毕业论文

PLA-PHB碳纳米管复合材料结构与性能的研究_高分子材料与工程专业毕业论文

PLA/PHB/碳纳米管复合材料结构与性能的

研究

STUDY ON THE STRUCTURE AND

PROPERTY OF PLA/PHB/ CNTS

COMPOSITE

专业：高分子材料与工程

摘要

本文采用浓硝酸酸化碳纳米管，并通过正硅酸乙酯在碳纳米管表面接枝大量羟基，然后通过加入硅烷偶联剂KH550，形成表面被包覆的碳纳米管；再以聚乳酸为主体、PHB为辅料、碳纳米管为增强体,采用哈克密炼机制备PLA/PHB/碳纳米管复合材料。通过红外吸收光谱分析经碳纳米管的处理情况；采用电镜扫描分析处理过碳纳米管的分散情况以及积聚形态；采用拉伸测试、冲击测试、静弯曲测试来研究复合材料的力学性能；采用微型燃烧量热计研究复合材料的热稳定性能；采用毛细管流变仪研究复合材料的流变性能；采用维卡软化温度测试仪测定复合材料的维卡软化温度。

通过碳纳米管红外光谱分析表明，经过正硅酸乙酯和硅烷偶联剂的综合处理，在碳纳米管表面上成功的接枝了大量的官能团，并且表面包覆了有效地附着基团。

力学性能研究表明，加入弹性体PHB之后，材料的拉伸强度、冲击强度、断裂伸长率提高，静弯曲强度下降。再加入少量的碳纳米管之后，复合材料的拉伸强度、冲击强度和静弯曲强度都有很大的提升，断裂伸长率下降。但是增加碳纳米管的组分，由于这是由于碳纳米管的团聚导致与复合材料界面粘结力下降，冲击强度有所下降。

流变性能研究表明，聚乳酸加入PHB后，在低剪切速率下，体系的表观粘度增加；在较高剪切速率下，体系的表观粘度低于纯聚乳酸的，说明加入PHB 之后，体系的表观粘度更受剪切速率的影响。在加入碳纳米管之后，体系的表观粘度增大，并且碳纳米管含量越大，表观粘度也越大。

热稳定性能研究表明，加入碳纳米管之后，复合材料的热释放速率峰值有了较大的下降，并且热释放速率峰值对应的时间也有所延迟。说明碳纳米管的加入能够提高聚乳酸的热稳定性。

关键词：聚乳酸；聚3羟基-4羟基丁酸酯；碳纳米管；复合材料；

ABSTRACT

In this paper, used the nitric acid acidized carbon nanotubes, and through the tetraethyl orthosilicate(TEOS) in carbon nanotubes surface hydroxyl grafted a lot, and then through the join silane coupling agent KH550, the formation of a surface of carbon nanotubes was enshrouded;Again with poly lactic acid(PLA) as the main body, the PHB as the auxiliary materials, carbon nanotubes in order to strengthen the body, the tried for PLA/PHB/carbon nanotube composite materials by HAAKE.The infrared absorption spectral analysis had the carbon nanotubes treatment; By using scanning electron microscopy (SEM) analysis process of the dispersion of carbon nanotubes and accumulation form; Use a tensile test, impact test, static bending test to study the mechanical properties of composite; By micro burning calorimeter(MCC) study the thermal stability of the composite material performance; Capillary rheometry study the rheological properties of composite material can; Using vicat softening temperature tester(VST) of composite materials were vicat softening temperature.

Through the carbon nanotubes infrared spectral analysis indicates that, after TEOS and silane coupling agent comprehensive treatment in carbon nanotubes surface to the success of a large number of grafted functional group, and the surface coated with effectively attached to the group.

Mechanical properties research indicate that by elastomer PHB later, material of tensile strength, impact s treng th, elongation at break improve, static bending strength decline. Add a small amount of carbon nanotubes after, the tensile strength of the composite, impact strength and bending strength has greatly improved, elongation at break down. But the increasing of the carbon nanotubes components, because this is due to the reunion of carbon nanotubes in and the compound material interface bond drop, impact strength fell.

Include research shows that, PLA to join PHB, in low shear rate, apparent viscosity increases the system; In the higher shearing rate, apparent viscosity of the system of less than pure PLA, explain to join PHB after, the system will be more apparent viscosity shearing rate influence. In the join carbon nanotubes after, apparent viscosity increases the system, and the greater the content of carbon nanotubes, the greater the apparent viscosity.

Thermal stability study shows that, after join carbon nanotubes, composite materials of heat release rate peak has larger drops and heat release rate and the corresponding time also peak a delay. Explain the carbon nanotubes join can improve thermal stability of PLA.

Key words: PLA；P(3HB-co-4HB)；Carbon nanotubes；Composite

目录

1.前言 (1)

1.1引言 (1)

1.2聚乳酸概述 (1)

1.3PHB概述 (3)

1.4碳纳米管概述 (4)

1.5聚乳酸/PHB/碳纳米管复合材料的制备 (6)

1.6聚乳酸/PHB/碳纳米管复合材料的研究现状与展望 (7)

1.7本课题研究的主要内容 (8)

2.实验材料和方法 (9)

2.1实验原料 (9)

2.2实验仪器 (9)

2.3碳纳米管的纯化和表面修饰 (10)

2.4复合材料的制备 (10)

2.5测试与表征 (11)

3.结果讨论与分析 (13)

3.1碳纳米管的处理结果分析 (13)

3.2力学性能测试 (15)

3.3聚乳酸/PHB/碳纳米管复合材料电镜扫描断面分析 (20)

3.4流变性能测试 (21)

3.5维卡软换温度测试 (24)

3.6微型全自动量热测试 (24)

参考文献 (26)

致谢 (1)

1 前言

1.1 引言

随着人类社会的进步，聚合物材料工业飞速发展，塑料作为一种新材料正在广泛大量的被应用于包括电子产品、汽车工业、医疗、纺织、包装和建筑等各个领域。但是由于塑料废弃物难以分解，由此造成的环境问题日益严重，人们开始意识到解决环境问题迫在眉睫。于是许多科技研究者就开始寻求能够在短时间内降解并且在应用性能方面能与传统塑料相媲美的材料。聚乳酸（PLA）和PHB 作为两种生物可降解材料，被广泛应用于各个领域，尤其是在汽车工业领域和电子通信行业。但是两者在力学性能和热稳定性能方面无法满足在各个行业的大量应用，这些材料被应用于电子产品外壳或者是汽车的各种零部件时，其热稳定性能和阻燃性能方面的不足严重的限制了它们的应用范围，所以科学研究者就设法用各种填料来改善它们的各种性能。

1.2 聚乳酸概述

1.2.1 聚乳酸基本性质

聚乳酸是一种生物性能良好的可降解线性聚酯，是由可再生农作物如玉米、马铃薯等发酵产生的乳酸作为单体，通过化学合成的一类高分子聚合物。聚乳酸广泛用于各种加工成型，被称为“绿色塑料”。聚乳酸是热塑性聚合物，和其他生物降解材料相比，聚乳酸具有较好的加工性能、力学性能，所以聚乳酸被认为是有望在不同行业部分取代传统塑料的生物可降解聚合物。当然聚乳酸也是一种脂肪族聚酯，所以其阻燃性能较差，并且其结晶性能差、脆性大等缺点，大大限制了其应用。

1.2.2 聚乳酸的合成

聚乳酸的合成方法[1,2]目前有两种：通过乳酸直接合成的叫做一步法；先将乳酸单体脱水，环化合成丙交酯，再开环聚合得到聚乳酸的叫做二步法。聚乳酸主要是以玉米发酵产生的乳酸为原料合成，目前发达国家如美、日等国已经开发利用甜菜、小麦、甘蔗等农作物作为原料发酵产生乳酸，然后合成聚乳酸，这就使得聚乳酸原料的来源更加广泛。相对于其他对于聚乳酸研究比较多的国家，就目前从总体而言，我国的聚乳酸工业化还有许多路要走。

1.2.3 聚乳酸的结构与基本性能

聚乳酸是一种脂肪族线性聚酯，其结构式简式如图1-1所示：

图1-1聚乳酸结构简式

因为乳酸分子中有一个不对称碳原子，所以所合成的聚乳酸就有三种不同的[3]

旋光异构体，分别为称为右旋聚乳酸(PDLA)、左旋聚乳酸(PLLA)和消旋聚乳酸（PDLLA）。其中的PDL A、PLLA是部分结晶的立体规整型聚合物，而由两种不同构型乳酸混合物聚合得到的是无定型消旋聚合物，旋光异构体对聚乳酸的性能影响很大。

聚乳酸能够溶解于氯仿、呋喃和1,4-二氧六环等有机溶剂中，聚乳酸的溶解性能[4]与其结晶度的大小和分子量的高低有很大的关系。

1.2.4 聚乳酸的热降解性能

由于聚乳酸是脂肪族聚酯，所以和其他脂肪族聚酯一样，分子链中的酯基的存在，使得其在受热的条件下容易发生热降解。聚乳酸的热降解机理十分复杂，无规断链、解聚和消去反应三种热降解机理同时发生，并且同时也伴随着聚乳酸分子以及分子之间的酯交换反应，还有在氧气存在时发生热氧化反应。

聚乳酸热降解的研究比较多，主要研究方法包括TGA、Py-GC/MS、TG-FTIR 等[5,6]。聚乳酸的热降解产物主要包括一氧化碳、二氧化碳、甲基乙烯丙酮、乙醛、丙交酯和其环状低聚物等，所产生的甲基乙烯丙酮不稳定，还有少量的水合甲烷等其他热降解产物。

1.2.5 聚乳酸的阻燃性能

聚乳酸本身的阻燃性能[7]只有UL94-HB级，极限氧指数为21%，燃烧的时候只能形成一层刚刚可见的碳化层，然后迅速的液化、滴下并开始燃烧。聚乳酸降解产物的主要成分是可燃性气体，所以当发生火灾时，有可能会造成巨大的人员伤亡和在经济上的损失。所以对于其阻燃性能的改性势在必行。以前对于聚乳酸的阻燃改性选用的阻燃剂主要有两类：金属氢氧化物和磷系助燃剂[8-10]。但是这些阻燃剂的阻燃效率不是很高，并且它们的添加量大，这不仅没有很好的解决阻燃问题，而且由于填料过多使得材料的力学性能变差。目前对于PLA阻燃处理研究最多的是膨胀性阻燃体系和无机纳米颗粒，对于膨胀性阻燃体系与无机纳米颗粒的协效阻燃体系也有一定程度的研究。

聚乳酸阻燃性能研究的主要手段包括UL94测试、极限氧指数测试和锥形量热仪测试等等。

1.2.6 聚乳酸的应用

自二十世纪八九十年代以来，对于聚乳酸的研究迅速发展，在此领域的研究论文和各种专利急速增长，随着合成技术的不断完善，聚乳酸的工业化、商业化也得到了快速发展。目前国外已经有许多的聚乳酸生产厂家，我国在聚乳酸的生产方面也开始起步。由于聚乳酸优异的生物相容性，其广泛的应用于医疗机械和用品方面，如手术缝合线、药物缓释、药水包装瓶、医疗固定装置如骨钉等；并且由于其具有良好的生物降解性，所以也大量应用与包装材料如包装瓶、一次性餐具、垃圾袋等以及农林用品如植被网、钓鱼线和农业薄膜等；当然也由于其良好的加工性能和热塑性而应用于电子产品外壳，汽车零部件等；并且聚乳酸也大量应用于纺织行业。总之，由于聚乳酸是环境友好型材料，在日益严重的环境问题和能源危机的情况下，人们更多的去研究聚乳酸，以便其更好更广泛的应用于各个领域。

1.3 PHB概述

聚β-羟基丁酸酯（PHB）是一种由细菌发酵而产生的热塑性聚酯[11],在1925年首先由法国的巴斯德研究所从巨大芽孢杆菌中发现,并且在1927年首次从细胞中分离出来。PHB可以被多种细菌完全分解为二氧化碳和水，而且具有良好的生物相容性和生物降解性,可作为包装材料、医用材料、光学材料等，能部分替代通用塑料，在很多方面得到大量应用,已经受到人们的广泛关注。

1.3.1 PHB的结构与基本性能

通常所用的PHB为3HB与4HB的共聚物，即P（3HB-co-4HB），其结构通式1-2：

图1-2.P（3HB-co-4HB）结构简式

P（3HB-co-4HB）共聚物是一种很典型的半结晶聚合物，共聚物中不同含量的3HB 与4HB配比对共聚物的性质影响很大。P(3HB)均聚酯的韧性很差，这个缺点极大地限制了其应用。但是引入了4HB之后，随着4HB组分含量的逐渐增大，共聚物的韧性变好，发生了脆韧转变[12]，所以P（3HB-co-4HB）较之于P(3HB)有较好的韧性。当4HB的含量增加至21%时，共聚物有明显的弹性体行为，本实验采用的4HB含量为34%的P（3HB-co-4HB）为弹性体。

1.3.2 PHB的热稳定性

由于PHB也是聚酯，所以它在受热时不稳定，易于分解。并且PHB的熔点很

接近分解温度，这使得材料在熔融加工时的加工温度范围小，而且极不稳定，很容易就会发生热降解。所以为了扩大PHB的应用范围，需要对其进行各种改性。目前常用的改性方法有生物改性、物理改性和化学改性等。

1.3.3 PHB的应用

PHB由于其良好的生物相容性，在生物医药行业具有非常广泛的研究和应用，并且在组织工程学中更加深入。PHB还由于其良好的生物降解性，在农用材料、包覆材料和荒地绿化保湿基材等方面大量应用。PHB还因为其无毒和密封性好的特性而大量应用于食品行业如食品包装用膜、食品袋、饮料包内衬等。

1.4碳纳米管概述

1.4.1 碳纳米管简介

在兴起的“纳米热”中，碳纳米管（CNTs）作为一种新型的纳米材料而备受关注。碳在自然界中分布广泛，存在着诸多的同素异形体，碳的原子间以SP3杂化轨道形成单键、还分别以SP2、SP杂化轨道形成很稳定的双键和三键，便形成了从零维到三维的各种结构和性质大相径庭的碳材料，如C60、CNTs、石墨、金刚石等。1991年，日本科学家Iijima[13]在高分辨率的透射电子显微镜下观察石墨电弧设备中所产生的球状碳分子时，很意外发现的了由细管状同轴的纳米管组成的碳分子，称之为碳纳米管(Carbon nanotubes简称CNTs)。这种材料现如今已经成为众多科学家感兴趣和研究的对象，因为碳纳米管几乎拥有令人惊叹的各种完美性能，甚至于相互对立的性能，如高硬度却又有高韧性、在某方向上绝缘却又在另一方向上高导电、还兼有全透光与不透光的性能。碳纳米管的这些独特的性能，使它能够在各种材料的改性方面起到令人兴奋的效果。

1.4.2 碳纳米管的制备

碳纳米管的制备方法与它在不同领域应用的性质密不可分，现在碳纳米管的制备方法根据不同的原理分为以下几种：电弧放电法[14,15]、气相催化热解法[16]、激光蒸发法[17]等。

1.4.3 碳纳米管的结构与性能

CNTs是单层或多层石墨片按一定的螺旋角围绕中心轴卷曲而成的无缝纳米级管状物，如图1-3所示。每一层碳纳米管是一个碳原子通过SP2杂化、然后与周围3个碳原子键合所构成的六边形平面组成的圆柱面。根据制备方法和条件碳纳米管分为多壁碳纳米管（MWNTs）和单壁碳纳米管（SWNTs）两种形式。与MWNTs相比，SWNTs由单层圆柱形石墨层构成，所以它的直径分布范围小，缺陷少，具有较高的均一性。

图1-3.碳纳米管结构简图

碳纳米管具有最简单的化学组成和原子结合形态，但是却展现了最丰富多彩的结构以及与之相关的化学、物理性能[18-22]。碳纳米管具有良好的耐热、耐热冲击、传热、耐腐蚀以及导电性，而且碳纳米管的尺度、结构、拓扑学因素和碳原子相结合又赋予了碳纳米管极为独特而又有广阔应用前景的性能。

1.4.4 碳纳米管纯化

有各种制备方法获得的碳米管的纯度不是很高，很难满足对碳纳米管的应用要求，因此需要对碳纳米管进行提纯处理，以便获取较高纯度的碳纳米管，满足研究和应用的需求。碳纳米管初花主要有山方面：除去催化剂颗粒，除去碳杂质，消除结构缺陷。绝大部分的催化剂颗粒可以通过酸浸泡之后除去，但是由于部分催化剂背包袱在碳纳米管中，还有金属颗粒在碳纳米管中的结合方式尚不明确，所以很难将杂质完全除去。

碳纳米管的提纯方法很多，包括酸氧化、气体氧化、色层法和过滤提纯等。氧化法提纯的主要原理是将体系中的杂质通过氧化速率不同而除去，过滤法和色层法主要是根据杂质与碳纳米管的物理性质不同而逐步除去。

1.4.5 碳纳米管的改性

因为碳纳米管具有很高的比表面积以及表面自由能，是热力学不稳定状态，所以碳纳米管颗粒之间很容易吸附团聚，是的其不易均匀分散，致使复合材料性能变差。所以碳纳米管在高聚物复合材料中的应用首先要解决的问题就是其分散性，这是能否赋予复合材料优良性能的主要先决条件之一。为了提高碳纳米管的分散能力和增加其与聚合物界面之间的结合力，主要的目的是要降低它的表面能态，以提高它与有机物相态之间的亲和力，从而使其能更好的应用到聚合物复合材料中去。目前常用的改性方法主要有两种，即化学法和物理法[23]。

（1）化学法：这是利用物质之间的化学反应或用较高的外加能量在碳纳米管的表面引入某些期望能够与有机相反应的官能基团，以达到改变碳纳米管表面性质的方法。目前包括以下下四种常用的方法：

1）表面处理改性。利用磺化或者酸化反应等化学手段对碳纳米管进行处理，以期望在碳纳米管的表面上获得某些官能团，从而改变其表面性质以便符合某些特定的要求。

2）外膜改性。在碳纳米管表面包覆一层其他物质的膜，使其表面性质发生一定的变化。

3）局部活性改性。通常利用化学反应使碳纳米管表面接枝带有不同的官能团，以便与聚合物复合后能够使复合材料具有全新的功能。

4）高能量改性。利用等离子射线、紫外线或者是高能量电晕放电等对粒子表面进行改性。

化学改性的一个嘴吸引人的地方就是改性后的碳纳米管可以人为的接枝基团，而且还能保持碳纳米管本身结构的完整性。

（2）物理法：这是一种运用纯粹的物理形式的摩擦、粉碎等方法，利用机械应力对碳纳米管表面激活来改变它的表面物理化学结构而采用的进行改性方法。这种方法使碳纳米管的内能增大，在外力的作用之下活化的碳纳米管表面与其他物质发生附着、反应，来达到表面改性的目的。最常用的方法主要是通过超声分散或者利用很大的剪切力来处理碳纳米管，防止碳纳米管之间吸附而团聚，从而达到良好的分散效果。但是物理方法有可能会破坏碳纳米管结构的完整性。

1.4.6 碳纳米管的应用与展望

目前，碳纳米管的研究主要集中在：碳纳米管的制备、碳纳米管的结构、性能和碳纳米管的潜在应用等几个方面。碳纳米管在力学、电学、热学等方面的优异性能，使它在许多领域有着广阔的潜在应用前景。

关于聚合物/碳纳米管复合材料的最新研究重点主要是将碳纳米管作为增强提来大幅度提高材料的强度或韧性，或者利用其良好的导电性能来提高复合材料的导电性。将碳纳米管作为阻燃剂有许多优点[24]：由于碳纳米管具有大的长径比，所以易于形成连续的、网络结构的保护炭层，具有隔绝气缘的作用，阻燃性能良好；在聚合物中添加碳纳米管可以增加复合材料的引燃时间，降低材料的可燃性。

1.5 聚乳酸/PHB/碳纳米管复合材料的制备

目前，制备碳纳米管聚合物复合材料的制备方法较为广泛的主要有溶液混合法、熔融混合法和原位聚合法[25,26]。

溶液混合法：溶液混合法是指在磁力搅拌、高能超声波或回流等辅助作用下，将碳纳米管分散于溶有聚合物的溶液中，从而形成了亚稳态的悬浮液。再通过浇铸或沉淀薄膜的方法去除溶剂，获得复合材料。该方法的优点是方便少量样品的制备，且碳纳米管分散比较有效。但是其缺点显而易见：不适用于不溶或难溶的聚合物体系；溶剂挥发时，碳纳米管很可能会再聚集；超声时间过长会使碳纳米管长径比变小，降低复合材料的性能；残留的表面活性剂可能会降低复合材料的传输性能或其它性能。

熔融混合法：熔融混合法是指将碳纳米管与难以溶解的热塑性聚合物进行物理混合，在共混机中通过高剪切力和高温使碳纳米管分散在聚合物中。其优点是

高效且简单，适用于连续的工业化生产。缺点是与溶液混合相比碳纳米管的分散效果要差一些，随着碳纳米管的加入，聚合物熔体的黏度会增加，增加机械的负荷。因此，此法适用于制备较低碳纳米管含量的复合材料。

原位聚合法：原位聚合法是指首先采用物理方法将碳纳米管均匀分散在溶剂或单体溶液中，然后进行聚合反应，得到复合材料。此法所使用的碳纳米管首先进行了表面有机功能化，以期望与单体官能团发生化学反应，不仅可以提高碳纳米管的分散性，还可以提高复合物中相界面的粘合强度，从而有效传递载荷，增强复合材料的力学性能。

1.6 聚乳酸/PHB/碳纳米管复合材料的研究现状与展望

目前关于PHB和PLA的改性研究的报道越来越多，而对于PHB/PLA两者共混体系的改性有一定的报道。Blumm E等[27]研究了PHB/PLLA共混的相容性，表明低分子量PLLA与PHB可任意比例混合，而PHB与高分子量PLLA(Mn=15900g/mol)共混时，出现相分离。蓝小平[28]的研究结果表明：P(3HB-4HB)与PLA为部分相容体系，10%以上的PLA才会影响P(3HB-4HB)拉伸性能，20%以上的PLA才会影响P(3HB-4HB)冲击性能，30%以上的PLA才会明显影响P(3HB-4HB)维卡软化温度。王淑芳[29]等研究表明，PLA/PHBHHx共混物，特别是含20/80的共混物具有较好的综合力学性能和降解性能。

虽然对于共混体系的相容性、力学性能和降解性能有一定的研究，但是对于共混体系的热稳定性和阻燃性能的研究，却很少有报道，尤其是PLA/PHB碳纳米复合材料的性能，这种状态跟不上环保材料迅速发展的趋势，也极大的浪费了碳纳米管作为优良阻燃添加剂的特性，所以对于共混体系性能改进的尝试性实验和研究需要去做。

肖军华等[30]通过热失重分析表明，碳纳米管的加入会提高聚合物的起始分解温度，这种热稳定性的提高与碳纳米管在聚合物中的分散有很大关系。大量实验表明[31-33]，聚合物/碳纳米管复合材料的阻燃性能主要是由于碳纳米管在聚合物表面形成了网络结构的保护层，其有良好的物理隔热作用，增加材料的热稳定性，同时可有效阻止可燃热解产物逸出，并且阻止外界空气进入，从而降低了热释放速率。目前的研究对于聚合物与碳纳米管的相互作用机理争议很大，还没有形成一种完善的体系来解释[30]。

无论是单独应用、还是与常规阻燃剂复配或者和其他纳米粒子共同与常规的阻燃剂进行复配[19]，碳纳米管在提高聚合物的阻燃性能方面有着很好的应用前景，尤其是在提高聚合物的热稳定性和降低聚合物材料的释热速率（HRR）方面都十分的引人注目，但是对于碳纳米管和聚合物形成的阻燃聚合物纳米复合材料目前还只处于实验室研究阶段，而且碳纳米管的阻燃机理还需要深入细致的研

究。对于PHB/PLA共混体系的阻燃性能改善，选用碳纳米管是比较有研究意义和实用价值的，但是还有许多关于碳纳米管方面的研究不够深入细致，所以对于采用碳纳米管作为阻燃体系添加剂的作用机理，需要去深入探讨。

1.7 本课题研究的主要内容

（1）采用浓硝酸对碳纳米管进行纯化，然后再通过正硅酸乙酯、硅烷偶联剂KH550对碳纳米管进行表面包覆修饰，以改善碳纳米管在复合材料中易团聚、不易分散不均匀的情况，并且提高碳纳米管与聚乳酸之间的界面结合强度。（2）采用哈克密炼机进行混合，制备PLA/PHB/碳纳米管复合材料，再通过注塑机制作测试样条。

（3）测试复合材料的力学性能、流变性能、结晶性能、热稳定性能和阻燃性能，以研究PHB、碳纳米管的加入对聚乳酸体系结构与性能的影响。

（4）采用红外光谱分析碳纳米管处理结果，再通过电镜扫面来观察复合材料断面上碳纳米管和PHB的分散情况，为复合材料性能的改变提供形象的依据。

2 实验材料和方法

2.1 实验原料

多壁碳纳米管（MWNTs），深圳纳米港科技有限公司；

聚乳酸（PLA），浙江海正生物材料有限公司；

P(3HB-co-4HB)，4HB含量为34%，国韵生物材料有限公司；

无水乙醇，分析纯，天津江天化工有限公司；

正硅酸乙酯，天津北方天医化学试剂厂；

浓硝酸，浓度65%～68%，分析纯，天津市化学试剂三厂；

硅烷偶联剂KH550，昆山绿循化工商行；

溴化钾，分析纯，天津市北方天医化学试剂厂。

2.2 实验仪器

表2-1 实验仪器

仪器名称型号及规格生产厂家

电子分析天平JJ500 常熟双杰测试仪器厂循环水式多用真空泵SHB-Ⅲ郑州长城科工贸有限公司

微孔滤膜孔径：0.22μm，直

径：50mm

上海膜分离技术有限公司

电热鼓风干燥箱DGG-101 天津天宇机电有限公司

加热磁力搅拌器SH-5 北京金北德工贸有限公司

数控超声波清洗器KQ-300DV 昆山市超声仪器有限公司台式离心机800B 上海安亭科学仪器厂傅里叶红外光谱仪FTIR-650 天津港东科技发展股份有限公司哈克转矩流变仪Pheomix-600p 德国Thremo Electron公司粉碎机TMD-020 统益牌之周边省力化设备全液压四缸直锁注塑机JPH50 广东红利机械有限公司

微机控制电子万能试验机CNT4503 深圳新三思材料检测仪器有限公司微机控热变形维卡软化试验机ZWK-1302-2 深圳新三思材料检测仪器有限公司简支梁冲击试验机ZBC-1400-1 深圳新三思材料检测仪器有限公司扫描电子显微镜JSM-6380LV 日本JEOL公司

毛细管流变仪RH2000 英国Bolin公司微型全自动量热仪美国纽兰德公司

2.3 碳纳米管的纯化和表面修饰

2.3.1 碳纳米管的纯化

称量4g碳纳米管于500ml烧杯中，然后再取适量的浓硝酸，倒入烧杯，使碳纳米管在浓硝酸中静置浸泡48h，以除去碳纳米管中杂质、催化剂和不定形碳等。待静置后，将多余的浓硝酸回收，再用大量蒸馏水将溶液稀释，然后利用0.22μm的微孔滤膜减压抽滤，直到用PH试纸测试显示为中性时为止。再将微孔滤膜上的碳纳米管用蒸馏水洗出，再放到65℃鼓风干燥箱中，去除多余水分，干燥后密封存放备用。

2.3.2 碳纳米管的分散

称取0.5g十二烷基磺酸钠置于烧杯（SDS），加入100ml蒸馏水，超声处理30min左右，使十二烷基磺酸钠完全溶解于溶液中，配置成0.5wt%的十二烷基磺酸钠溶液备用。然后称取1g纯化过的碳纳米管置于250ml的烧杯中，加入配置的十二烷基磺酸钠溶液，接着超声处理1h。超声完之后用布氏漏斗加蒸馏水反复抽滤，洗去多余SDS。再在所得碳纳米管中加入200ml蒸馏水，再加入40ml 混合溶液(正硅酸酯:去离子水:无水乙醇，体积比为2:1:5)，超声处理1h，然后磁力搅拌水解24h左右。然后用离心机离心水解液，除去杂质，得到完全分散的碳纳米管溶液，最后将将所得溶液放入65℃的烘箱内烘干备用。

2.3.3 碳纳米管的交联包覆

将分散处理过的碳纳米管颗粒用坩埚研磨成粉末状，然后放入500ml烧杯中再加入约300ml无水乙醇，用玻璃棒充分搅拌，再用离心机离心，洗去多余的分散剂，重复两次。在洗过的碳纳米管中加入300ml无水乙醇，然后按照与碳纳米管1：1加入硅烷偶联剂KH550（偶联剂），接着超声处理30min，然后磁力搅拌交联24h左右。之后再用离心机离心，用无水乙醇洗涤两次，除去多余的偶联剂。再将得到的碳纳米管放入65℃烘箱内干燥，即得所需改性的碳纳米管，然后备用。

2.4 复合材料的制备

2.4.1 聚乳酸/PHB/碳纳米管复合材料的配比成分

表2-2 聚乳酸/PHB/碳纳米管复合材料的配比

PLA/份

P(3HB-co-4HB)

（34wt%4HB）/份

碳纳米管

1 100 0 0

2 95 5 0

3 95 5 0.10wt%

4 9

5 5 0.25wt%

5 95 5 0.50wt%

6 95 5 1.00wt%

2.4.2 聚乳酸/PHB/碳纳米管复合材料的制备

将聚乳酸、PHB和表面修饰过的碳纳米管置于65℃真空干燥箱中，干燥24h，以除去物料所吸附的水分。称取确定组分的聚乳酸、PHB和碳纳米管，然后混合均匀，再在哈克转矩流变仪中进行熔融共混，共混10min。转矩流变仪的三段温度均设定为155℃，转速为30rpm。将得到的物料利用粉碎机进行粉碎造粒，再放置于真空干燥箱中待用。

2.4.3 注塑机注塑制样

将充分干燥过的粒料使用注射成型机在模具中注射制样。注射机的四段温度分别为150℃、155℃、150℃、140℃，每一组分制备6-8个样条，用来测试拉伸性能、冲击性能和阻燃性能。制成样品后分别编号，分组备用。

2.5 测试与表征

2.5.1 红外光谱分析

采用溴化钾压片法进行测定，实验前将溴化钾和待测的碳纳米管置于真空干燥箱中，干燥24h。实验时，将碳纳米管和溴化钾置于研钵中，研磨至基本均匀后，放到压片机上压片。然后利用港东科技发展股份有限公司的FTIR-650型号傅里叶红外光谱仪，对碳纳米管上特征基团进行表征。

2.5.2 力学性能测试

2.5.2.1 拉伸性能测试

将用注塑机注塑的哑铃型标准样条进行拉伸性能的测试。测试前样条需在恒温恒湿箱停放24h。测定拉伸强度及断裂伸长率用深圳新三思材料检测有限公司的CMT4503型万能电子拉力机，参照GB/T1040-1992进行测定，样条宽为5mm、厚为2mm，拉伸形变速率为50mm/min，原始标距为25mm。

2.5.2.2 静弯曲性能测试

将用注塑机注塑的条形标准样条进行静弯曲性能的测试。测试前样条需在恒温恒湿箱停放24h。测定静弯曲强度用深圳新三思材料检测有限公司的CMT4503型万能电子拉力机，测试标准为GB/T9341-2000，样条宽为10mm、厚为4mm，实验跨度为64mm，试样静弯速率为2mm/min，试样规定挠度为6mm。

2.5.2.3 冲击强度性能测试

将用注塑机注塑的带有缺口条形标准样条进行冲击强度性能的测试。测试前样条需在恒温恒湿箱停放24h。测定冲击强度使用简支梁法，参照GB/T 1043-1993进行测定。样条宽为10mm，除去缺口剩余厚度为3.2mm。

2.5.3 扫面电子显微镜（SEM）分析

选择截取力学性能测试中的冲断面，挑选较为粗糙的断面用于测试扫面电镜的测试，测试前在65℃烘箱内干燥36h以上，使样品充分干燥除去水分。然后在试样表面进行喷金处理之后，利用JEOL公司的JSM-6380LV型扫描电子显微镜进行复合材料材料断面的观察。断面观察采用×2000倍的放大倍数。

2.5.4 流变性能测试

称取22g左右的粒料，真空干燥箱中干燥24h。利用毛细管流变仪，测定材料熔体的表观粘度和剪切应力，以讨论表观粘度和剪切速率、剪切应力以及剪切速率和剪切应力的关系，对材料的流变性能进行分析。实验时，温度设定为150℃，剪切速率分为四段，分别为20,63,199和634s-1。

2.5.5 维卡软化点（VST）温度测试

选取表面平整、没有裂纹、没有气泡和无缺陷的注塑样条，制成10mm×10mm见方的测试试样，在65℃的烘箱内干燥24h以上，使其充分干燥。利用维卡软化点测试仪测定样品的软化点，以讨论加入PHB、碳纳米管之后对材料软化温度的影响。实验时的穿透针是直径为1mm的没有毛边的圆形平头针，升温速率为50℃/h，压入载荷为1Kg。

2.5.6 微型全自动量热测试（MCC）

微型燃烧量热计（MCC）是一种基于氧的消耗原理来表征材料的化学结构与燃烧行为关系的新型小尺寸仪器。能够用仅5mg左右的材料用量测量出材料的许多燃烧性能。其中一般由锥形量热计所测得的数据：热释放速率(HRR)被公认为是评价材料可燃性及材料火灾风险性的最重要的性能惨数，它与火源的蔓延速度有关，反映了材料燃烧过程中潜在的危险性[34,35]。

实验条件：测定室温变化不应超过1℃，通常室温尽量保持在15～30℃范围为宜。室内应无强烈的空气对流，不应有强烈的热源和风扇等，试验过程中应避免开启门窗。按照GB/T213-2003进行。

与锥形量热仪相比，微型燃烧量热计测试的材料用量少无需特定规则的试样，操作简单，很少的试样即可测试出多种数据。但是同样由于材料用量少可能材料分分布不均，造成测试数据的较大差异。锥形量热仪试样面积大，测试稳定，且更加准确。

3.结果讨论与分析3.1 碳纳米管的处理结果分析

3.1.1 碳纳米管处理过程分析

图3-1 碳纳米管处理过程示意图

图3-2 正硅酸乙酯结构简式

图3-3 硅烷偶联剂KH550结构式

如图3-1为碳纳米管处理过程示意图。加入正硅酸乙酯（如图3-2）后，首先正硅酸乙酯水解成正硅醇，然后正硅醇相互缩合并吸附在碳纳米管表面，形成表面带有大量羟基的结合体，溶于体系之中。接着在乙醇作为溶剂的碳纳米管结合体体系中加入硅烷偶联剂KH550（如图3-3），硅烷偶联剂首先水解，然后与碳纳米管表面的羟基缩合，形成表面被包覆的碳纳米管分散体。反应示意图如图3-4，首先硅烷偶联剂水解形成羟基，然后再与碳纳米管表面的羟基缩合，形成对碳纳米管的包覆，从而减小碳纳米管之间的相互吸附能力，增加碳纳米管的与聚合物基质的结合力，从而增加碳纳米管的分散性。

图3-4硅烷偶联剂反应过程

3.1.2 碳纳米管的红外光谱分析图

3-5中显示的是纯化碳纳米管和酸化碳纳米管的红外光谱图。其中3450.03cm-1为Si-OH的对称伸缩振动峰；1637.27cm-1为Si-OH的弯曲振动峰；1099.23cm-1为Si-O-Si的反对称伸缩振动峰；798.39cm-1为Si-O-Si的对称伸缩振动峰；464.76 cm-1为Si-O-Si的弯曲振动峰。

在纯化碳纳米管的谱图中，没有比较明显的吸收峰，只有在1060cm-1处有着很微弱的吸收峰，这是碳纳米管自身C-C的骨架振动峰。与之相比较，正硅酸乙酯处理过的碳纳米管的红外光谱图在464.76cm-1、798.39cm-1、1637.27cm-1、1099.23cm-1和3450cm-1处得吸收峰显得相当明显。3450cm-1和1637.27cm-1处的吸收峰变大说明，在正硅酸乙酯水解分散下，碳纳米管表面成功接枝上大量的羟基。1099.23cm-1、798.39cm-1和464.76 cm-1处的吸收峰加大说明，此时的碳纳米管表面吸附有大量由于硅醇相互缩聚而形成的Si-O-Si结构，从而说明在加入正硅酸乙酯后，碳纳米管表面吸附了大量的硅醇，引进了大量的羟基。再加入硅烷偶联剂KH550处理之后，798.39cm-1和464.76 cm-1处的吸收峰更进一步的增强，

尼龙_碳纳米管复合材料研究进展

基金项目:河南省教育厅自然科学基金项目(200510459101); 作者简介:李中原(1971-),男,博士研究生; 3通讯联系人:E 2mail :zhucs @https://www.wendangku.net/doc/6916146371.html,. 尼龙Π碳纳米管复合材料研究进展 李中原,刘文涛,许书珍,何素芹3,朱诚身3 (郑州大学材料科学与工程学院　郑州　450052) 摘要:碳纳米管(C NTs )由于其独特的结构,较高的长径比,较大的比表面积,且具有超强的力学性能和良好 的导热性,已经证明是塑料的非常优异的导电填料,聚合物基碳纳米管复合材料可望应用于材料领域的多个方面,尤其在汽车、飞机及其它飞行器的制造等军事和商业应用上带来革命性的突破。本文介绍了碳纳米管的结构形态和碳纳米管的制备、纯化、修饰方法及聚合物基碳纳米管复合材料的制备、性能,并综述了近几年来尼龙Π碳纳米管复合材料的研究进展及应用前景。 关键词:碳纳米管;尼龙;复合材料 引言 聚酰胺具有优良的机械性能、耐磨性、耐酸碱性、自润滑性等优点,居于五大工程塑料之首,被广泛用作注射及挤出成型材料,主要用于在机械、仪器仪表、汽车、纺织等方面,并将在轴承、齿轮、风扇叶片、汽车部件、医疗器材、油管、油箱、电子电器制品的制造方面发挥重要作用,尤其是作为汽车零部件及电器元件。由于酰胺极性基团存在极易吸水、尺寸稳定性差等缺点,使其应用受到了很大限制[1]。纳米复合材料是近年来发展十分迅速的一种新兴复合材料,被认为是21世纪最有发展前途的材料,已成为材料学、物理学、化学、现代仪器学等多学科领域研究的热点。热塑性塑料基纳米复合材料是研究最早、最多、应用最广的材料,聚合物Π蒙脱土纳米复合材料目前有的已实现了产业化[2]。碳纳米管由于其独特的结构、 奇异的性能和潜在的应用价值,在理论上是复合材料理想的增强材料。近年来聚合物Π碳纳米管复合材料的研究已成为纳米科学研究中的一个新热点。碳纳米管的发现可以追溯到1985年C 60 [3]的发现,1991年日本学者Iijima [4]在对电弧放电后的石墨棒进行显微观察时发现阳极上形成了圆柱状沉积,沉积主要 由柱状排列的平行的中空管状物形成,管状物的直径一般在几个到几十个纳米之间,而管壁厚度仅为几个纳米,故称之为碳纳米管C NTs (carbon nanotubes ),并在自然杂志上发表。碳纳米管具有超级的力学性能[5],在碳纳米管中,碳原子之间存在着三种基本的原子力包括:强的δ键合,C C 键之间的π键合以及多壁碳纳米管层与层之间的相互作用力,它们对碳纳米管的力学性能有着重要的贡献,理论和实验结果显示碳纳米管具有相当高的弹性模量,可达1TPa ,强度是钢的10～100倍,多壁碳纳米管MWC NTs (multiwalled carbon nanotubes )的轴向杨氏模量实验值为200G ～4000G Pa ,轴向弯曲强度为14G Pa ,轴向压缩强度为100G Pa ,并且具有超高的韧性,理论最大延伸率可达20%,密度却只有钢的六分之一。它耐强酸、强碱、耐热冲击、有优异的热,电性能;高温强度高、有生物相容性和自润滑性。在真空中2800℃以下不氧化,在空气中700℃以下基本不氧化,热传导是金刚石的两倍,导电性和铜一样。本文将从碳纳米管的纯化与修饰,尼龙Π碳纳米管复合材料的制备方法及其性能特征三方面对尼龙Π碳纳米管复合材料的研究进展进行总结。

碳纳米管

碳纳米管简介 潘春旭 ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 武汉大学 物理科学与技术学院 地址：430072湖北省 武汉市 武昌区 珞珈山 电话：027-8768-2093(H)；8721-4880(O) 传真：027-8765-4569 E-Mail: cxpan@https://www.wendangku.net/doc/6916146371.html,；cxpan@https://www.wendangku.net/doc/6916146371.html, 个人网页：https://www.wendangku.net/doc/6916146371.html,/cxpan ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 1. 什么是碳纳米管？ 1991年日本NEC公司的饭岛纯雄(Sumio Iijima)首次利用电子显微镜观察到中空的碳纤维，直径一般在几纳米到几十个纳米之间，长度为数微米，甚至毫米，称为“碳纳米管”。理论分析和实验观察认为它是一种由六角网状的石墨烯片卷成的具有螺旋周期管状结构。正是由于饭岛的发现才真正引发了碳纳米管研究的热潮和近十年来碳纳米管科学和技术的飞速发展。 按照石墨烯片的层数，可分为： 1) 单壁碳纳米管（Single-walled nanotubes, SWNTs）：由一层石墨烯片组成。单壁管典型的直 径和长度分别为0.75～3nm和1～50μm。又称富勒管(Fullerenes tubes)。 2) 多壁碳纳米管（Multi-walled nanotubes, MWNTs）：含有多层石墨烯片。形状象个同轴电缆。 其层数从2～50不等，层间距为0.34±0.01nm，与石墨层间距(0.34nm)相当。多壁管的典 型直径和长度分别为2～30nm和0.1～50μm。 多壁管在开始形成的时候，层与层之间很容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷，因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷。与多壁管相 比，单壁管是由单层圆柱型石墨层构成， 其直径大小的分布范围小，缺陷少，具有 更高的均匀一致性。无论是多壁管还是单 壁管都具有很高的长径比，一般为100～ 1000，最高可达1000～10000，完全可以 认为是一维分子图1 碳纳米管原子排列结构示意图 2. 碳纳米管的独特性质 1) 力学性能 碳纳米管的抗拉强度达到50～200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级。它是最强的纤维，在强度与重量之比方面，这种纤维是最理想的。如果用碳纳米管做成绳索，是迄今唯一可从月球挂到地球表面而不会被自身重量拉折的绳索，如果用它做成地球——月球载人电梯，人们来往月球和地球献方便了。用这种轻而柔软、结实的材料做防弹背心那就更加理想了。 除此以外，它的高弹性和弯曲刚性估计可以由超过兆兆帕的杨氏模量的热振幅测量证实。对于具有理想结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度约800GPa；对于多层壁，理论计算太复杂，难于给出一确定的值。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似，但其结构却比高分子材料稳定得多。

碳纳米管纳米材料的应用要点

碳纳米管及其复合材料在储能电池中的应用 摘要碳纳米管具有良好的机械性能和导电性、高化学稳定性、大表面积以及独特的一维结构，选择合适的方法制备出碳纳米管复合材料，可以使其各种物理化学性能得到增强, 因而在很多领域有着极大的应用前景，尤其是在储能电池中的应用。本文分析了碳纳米管及其复合材料的特点，总结了碳纳米管的储锂机理，对其发展趋势作了展望。 关键词碳纳米管复合材料储能电池应用 Abstract carbon nanotubes（CNTs） are nanometer-sized carbon materials with the characteristics of unique one-dimensional geometric structure，large surface area，high electrical conductivity，elevated mechanical strength and strong chemical inertness. Selecting appropriate methods to prepare carbon nanotube composites can enhance physical and chemical properties , and these composites have a great future in many areas，especially in energy storage batteries . In this paper, based on the analysis and comparison of the advantages and disadvantages of carbon nanotube composites，the enhancement mechanisms of the CNTs catalysts are introduced. Afterward，the lithium ion storage properties are summarized according to the preparation methods of composite materials. Finally, the prospects and challenge for these composite materials are also discussed. Keywords carbon nanotube; composite; energy storage batteries; application 1 引言 碳纳米管(CNTs)在2004 年被人们发现，是一种具有特殊结构的一维量子材料, 它的径向尺寸可达到纳米级, 轴向尺寸为微米级, 管的两端一般都封口, 因此它有很大的强度, 同时巨大的长径比有望使其制作成韧性极好的碳纤维。碳纳米管由于其独特的一维纳米形貌被作为锂离子电池负极材料广泛研究，通过对碳纳米管进行剪切，官能化及掺杂等方法进行改性处理，能有效的减少碳纳米管的首次不可逆容量，增加可逆的储锂比容量。此外，碳纳米管的中空结构也成为抑制高容量金属及金属氧化物体积膨胀理想复合基体。本文中，我们研究了碳纳米管的储锂性能，考察了碳纳米管作为锡类复合材料基体，其内部限域空间对高容量金属及金属氧化物的储锂性能促进的具体原因。该研究结果为碳纳米管以及其他具有限域空间的结构在锂离子电池中的应用提供了参考。 2 碳纳米管的储锂机理和应用 相比广泛应用的石墨类材料，碳纳米管在锂离子电池负极材料中有其独特的应用优势。首先，碳纳米管的尺寸在纳米级，管内及间隙空间也都处于纳米尺寸级，因而具有纳米材料的小尺寸效应，能有效的增加锂离子在化学电源中的反应活性空间；其次，碳纳米管的比表面积较大，能增加锂离子的反应活性位，并且随着

大学专业介绍之材料类2(高分子材料与工程、材料科学与工程、复合材料与工程)

大学专业介绍之材料类2（高分子材料与工程 、材料科学与工程、复合材料与工程） 4．高分子材料与工程 培养德智体全面发展，具有良好的科学素养，掌握化学基本理论、基本知识和基本技能，经受过基础研究、应用研究、科技开发、科技管理等系统训练的高分子化学、高分子物理及高分子材料与加工方面的专门人才。系统地学习化学基础理论知识，接受严格基本技能训练。运用化学和物理的基本原理和方法，研究高分子材料的分子设计、合成、结构与性能关系，开发新材料及其应用。具有科研、开发、设计及工艺操作相结合的特点。 业务培养要求：本专业学生主要学习高聚物化学与物理的基本理论和高 1. 2. 3.掌握聚合物加工流变学、成型加工工艺和成型模具设计的基本理论 4.具有对高分子材料进行改性及加工工艺研究、设计和分析测试，并 5.

6.具有对高分子材料改性及加工过程进行技术经济分析和管理的初步 主干课程无机及分析化学、有机化学、物理（含物构）、仪器分析、化工原理、普通化学实验、无机化学实验、分析化学实验、有机化学实验、物理化学实验、仪器分析实验、化工原理实验、化工设备机械基础、化工仪表自动化、机械制图、高分子物理、高分子化学、高分子加工成型原理、高分子流变学、高分子化学实验、高分子物理实验等。 就业方向适宜到科研院所、高等院校从事科研、教学工作；适宜到与石油化工、化工、轻工、工程塑料、特种复合材料、耐高温高分子材料、高分子功能材料、粘合剂与涂料等相关的科研单位、企业、公司从事应用研究、科技开发、生产技术和管理工作。 5．材料科学与工程 材料科学与工程是研究金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料的组成、组织结构、制备成型工艺及服役性能之间规律的基本理论与工程应用的学科，是我国21世纪重点发展的专业之一。 培养目标 本专业培养具备宽厚的材料领域的基础知识与技能，能从事科研、技术开发、分析检测、工艺和设备设计、生产经营管理等方面的高级工程技术人才。 主要课程

高分子材料和复合材料导学案

高分子材料和复合材料 导学案 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN

第三单元高分子材料和复合材料 编写：王飞审核：何一位作业等第：_______ 班级：________姓名：____________批改日期：_______ 【学习目标】 了解有机高分子材料的分类，认识塑料、纤维、橡胶、功能高分子材料的区别； 【课堂导学】 1、塑料的主要成分是，具有、、、、等优点；塑料按性能和用途可分为、、；按受热情况可分为、。 2、纤维可以分为那两大类： 3、区分不同纤维的常见方法是: 4、橡胶的分类： 5、天然橡胶的主要成分它为分子； 缺点是：；为了改变特性常常要经过处理；使得分子结构变为 6、常见的高分子材料有： 7、复合材料是指： 其优点是： 常见的复合材料有： 二、课堂探究 1．随着社会的发展，复合材料逐渐成为一类新的有前途的发展材料，目前，复合材料最主要的应用领域是( )。 A．高分子分离膜 B．人类的人工器官 c．宇宙航天工业 D．新型药物 2、下列塑料的合成，所发生的化学反应类型与另外三种不同的是（） A 聚乙烯塑料 B 聚氯乙烯塑料 C 酚醛塑料 D 聚苯乙烯塑料 3、下列有关高分子化合物的叙述正确的是( )。 A．高分子化合物极难溶解 B．高分子化合物依靠分子间作用力结合，材料强度均较小 C．高分子均为长链状分子 D．高分子材料均为混合物 三、课堂笔记

【巩固反馈】 1．橡胶属于重要的工业原料。它是一种有机高分子化合物，具有良好的弹性，但强度较差。为了增加某些橡胶制品的强度，加工时往往需进行硫化处理，即将橡胶原料与硫黄在一定条件下反应。橡胶制品硫化程度越高，强度越大，弹性越差。下列橡胶制品中，加工时硫化程度较高的是() A．橡皮筋B．汽车外胎 C．普通气球 D．医用乳胶手套 2、物质不属于天然高分子化合物的是( ) A. 淀粉 B. 纤维素 C. 塑料 D. 蛋白质 3下列各物质属于高分子化合物的是( )。 A.葡萄糖 B．硬脂酸甘油酯 C．TNT I)．酶 4下列原料或制成的产品中。若出现破损不可以进行热修补的是( )。 A．聚氯乙烯凉鞋 B．电木插座 C．聚丙烯材料 D．聚乙烯塑料膜 5离分子材料与一般金属材料相比，优越性是( )。 A．强度大 B.电绝缘性能好 C．不耐化学腐蚀 D．不耐热 6、材料科学、能源科学、信息科学是二十一世纪的三大支柱产业。在信息通信方面，能同时传输大量信息，且具有较强抗干扰能力的材料是( )。 A．光导纤维 B．塑料 C．合成橡胶 D．合成纤维 7、“空对空”响尾蛇导弹头部的“红外眼睛”，能分辨出0C的温差变化，它是由热敏陶瓷材料和热释电陶瓷材料做成的。下列叙述中不正确的是( )。 A．“红外眼睛”对热非常敏感 B．“红外眼睛”的热目标是敌机发动机或尾部喷口高温区 C.“红外眼睛”的电阻值随温度明显变化

功能高分子材料复合材料

第四课时§3.3.4 功能高分子材料复合材料 教学过程： 【引言】前面三节课，我们学习了传统意义上的有机高分子材料中的三大合成材料（塑料、合成纤维、合成橡胶），今天，我们来了解第四大合成材料（功能高分子材料）以及复合材料。 【板书】§3.3.4功能高分子材料复合材料 【过渡】何谓功能高分子材料？它的分类如何？它的性能和应用怎样？这些是我们这节课要弄清楚的。 【教师讲解】一、功能高分子材料： 1．功能高分子材料的定义：功能高分子材料是指既有传统高分子材料的机械性能，又有某些特殊功能的高分子材料。（它是一类性能特殊、使用量小、附加值高的高分子材料。是高分子材料渗透到电子、生物、能源等领域后开发涌现出的一种新型材料。）2．功能高分子材料的分类： 物理功能高分子材料如：导电材料、光敏性材料、液晶高分子材料 功能高分子材料分离功能高分子材料如：膜材料、吸附分离功能材料 化学功能高分子材料如：高分子试剂、高分子卤化剂3．日常生活中常见的几种功能高分子材料： 【投影】用高吸水性树脂制造的纸尿布高吸水性树脂 【教师讲解】（1）高吸水性树脂 高吸水性树脂是一种新型的功能高分子材料，它本身不溶于水或有机溶剂，与水接触时能在短时间内可吸收自身质量几百倍、上千倍，最高可达5300倍的水，即使挤压也很难脱水，被冠于“超级吸附剂”的桂冠，因此可用作农业、园林、苗木移植用保水剂。高吸水性树脂与苯、乙醇、三氯甲烷、四氯化碳、醋酸等化学试剂混合时，可使试剂脱水，却不与试剂发生化学反应。它吸收试剂中的水分后，变成一种凝胶状的物质。 【投影】 触摸屏导电橡胶按键

【教师讲解】（2）导电性材料 如果在高分子中加入各种导电物质，如铁粉、铜粉、石墨粉等，就可制成导电橡胶、导电塑料、导电涂料、导电胶粘剂等。 【投影】 人造心脏 【教师讲解】（3）医用高分子材料 a.性能：优异的生物相容性；很高的机械性能。 b.应用：制作人体的皮肤、骨骼、眼、喉、心、肺、肝、肾等各种人工器官。 【投影展示】 玻璃钢快船波音767飞机碳纤维网球拍 【过渡】不同的材料具有不同的性能，每种材料都有它的优缺点。如普通金属材料强度大，但易被腐蚀；普通陶瓷材料耐高温，但易碎裂；合成高分子材料强度大、密度小，但易老化。航天工业需要强度大、耐高温、密度小的材料。海洋工程需要耐高压、耐腐蚀的材料。有没有兼具它们优点的一种材料呢？复合材料的出现很好地回答了这个问题。 【板书】二、复合材料 【学生阅读】P108复合材料定义并回答。 【板书】1．复合材料的定义：复合材料是指两种或两种以上性质不同的材料组合而成的一种新型材料。其中一种材料作为基体，其他的材料作为增强剂。 【教师讲解】由于复合材料克服了单一材料的不足，一般具有强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀等优异性能，在综合性能上超过了任一单一材料，是材料科学领域的重大突破。【教师组织讨论】P109有一个“交流与讨论”栏目，请同学们举出实例来说明人们的日常生活越来越离不开复合材料。 【学生回答】日常生活中用的牙刷、塑料碗盆、地板、壁纸、人造心脏、人造骨、关节、网球拍、滑雪板、撑杆、弓箭…… 【教师组织练习】以上事实说明复合材料是人类赖以存在和发展的基础，那么，复合材料的组成怎样？请同学们阅读后完成下列练习：（投影） 1．复合材料是由基体材料和分散于其中的增强材料组成的。 2．钢筋混凝土中的混凝土是基体材料，分布于其中的钢筋是增强材料；石棉瓦用石棉作增

聚合物碳纳米管复合材料研究综述

聚合物/碳纳米管复合材料研究综述 摘要 综述了目前碳纳米管在填充聚合物来制备介电、导电、吸波、导热等复合材料方面的应用。对常见的几种聚合物/碳纳米管复合材料的制备工艺以及碳纳米管在聚合物中的分散方法进行了详细地阐述。最后对聚合物/碳纳米管在研究过程中存在的问题和未来的研究方向进行了相应地分析和展望。 关键词:碳纳米管; 逾渗理论; 复合材料; 制备工艺; 分散 Review of Research on Polymer /Carbon Nanotube Composite Abstract The current carbon nanotube-filled polymer compound to prepare the electricity，conductive，absorbing，thermal conductivity，and other aspects of application of composite materials are reviewed．Several common polymer / carbon nanotube composite preparation process as well as the dispersion of carbon nanotubes in polymer are elaborated．Finally，the polymer /carbon nanotube in the study process and future research is analyzed and prospected． Key words: carbon nanotubes; percolation theory; composite; preparation; dispersion

碳纳米管纳米复合材料的研究现状及问题(一)

碳纳米管纳米复合材料的研究现状及问题(一) 文章介绍了碳纳米管的结构和性能，综述了碳纳米管/聚合物复合材料的制备方法及其聚合物结构复合材料和聚合物功能复合材料中的应用研究情况，在此基础上，分析了碳纳米管在复合材料制备过程中的纯化、分散、损伤和界面等问题，并展望了今后碳纳米管/聚合物复合材料的发展趋势。 。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。Xuetal8]和Lauetal.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。Jinetal.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。Jiaetal.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代写论文的黏结作用。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。

山大复合材料结构与性能复习题参考答案.doc

1、简述构成复合材料的元素及其作用 复合材料由两种以上组分以及他们之间的界面组成。即构成复合材料的元素包括基体相、增强相、界面相。 基体相作用：具有支撑和保护增强相的作用。在复合材料受外加载荷时，基体相一剪切变形的方式起向增强相分配和传递载荷的作用，提高塑性变 形能力。 增强和作用：能够强化基体和的材料称为增强体，增强体在复合材料中是分散相, 在复合材料承受外加载荷时增强相主要起到承载载荷的作用。 界面相作用：界面相是使基体相和增强相彼此相连的过渡层。界面相具有一定厚度，在化学成分和力学性质上与基体相和增强相有明显区别。在复 合材料受外加载荷时能够起到传递载荷的作用。 2、简述复合材料的基本特点 (1)复合材料的性能具有可设计性 材料性能的可设计性是指通过改变材料的组分、结构、工艺方法和工艺参数来调节材料的性能。显然，复合材料中包含了诸多影响最终性能、可调节的因素，赋予了复合材料的性能可设计性以极大的自由度。 ⑵ 材料与构件制造的一致性 制造复合材料与制造构件往往是同步的，即复合材料与复合材料构架同时成型，在采用某种方法把增强体掺入基体成型复合材料的同时?，通常也就形成了复合材料的构件。 (3)叠加效应 叠加效应指的是依靠增强体与基体性能的登加，使复合材料获得一?种新的、独特而又优于个单元组分的性能，以实现预期的性能指标。 (4)复合材料的不足 复合材料的增强体和基体可供选择地范围有限；制备工艺复杂，性能存在波动、离散性；复合材料制品成本较高。

3、说明增强体在结构复合材料中的作用能够强化基体的材料称为增强体。增强体在复合材料中是分散相。复合材料中的增强体，按几何形状可分为颗 粒状、纤维状、薄片状和由纤维编制的三维立体结构。喑属性可分为有机增强体 和无机增强体。复合材料中最主要的增强体是纤维状的。对于结构复合材料，纤 维的主要作用是承载，纤维承受载荷的比例远大于基体；对于多功能复合材料， 纤维的主要作用是吸波、隐身、防热、耐磨、耐腐蚀和抗震等其中一种或多种， 同时为材料提供基本的结构性能；对于结构陶瓷复合材料，纤维的主要作用是增 加韧性。 4、说明纤维增强复合材料为何有最小纤维含量和最大纤维含量 在复合材料中，纤维体积含量是一个很重要的参数。纤维强度高，基体韧性好，若加入少量纤维，不仅起不到强化作用反而弱化，因为纤维在基体内相当于裂纹。所以存在最小纤维含量，即临界纤维含量。若纤维含量小于临界纤维量，则在受外载荷作用时，纤维首先断裂，同时基体会承受载荷，产生较大变形，是否断裂取决于基体强度。纤维量增加，强度下降。当纤维量大于临界纤维量时，纤维主要承受载荷。纤维量增加强度增加。总之，含量过低，不能充分发挥复合材料中增强材料的作用；含量过高，由于纤维和基体间不能形成一定厚度的界面过渡层, 无法承担基体对纤维的力传递，也不利于复合材料抗拉强度的提高。 5、如何设才计复合材料 材料设计是指根据对?材料性能的要求而进行的材料获得方法与工程途径的规划。复合材料设计是通过改变原材料体系、比例、配置和复合工艺类型及参数，来改变复合材料的性能，特别是是器有各向异性，从而适应在不同位置、不同方位和不同环境条件下的使用要求。复合材料的可设计性赋予了结构设计者更大的自由度，从而有可能设计出能够充分发掘与应用材料潜力的优化结构。复合材料制品的设计与研制步骤可以归纳如下： 1）通过论证明确对于材料的使用性能要求，确定设计目标 2）选择材料体系（增强体、基体） 3）确定组分比例、几何形态及增强体的配置 4）确定制备工艺方法及工艺参数

碳纳米管纳米复合材料的分析现状及问题

碳纳米管纳米复合材料的分析现状及问题 [摘要]文章介绍了碳纳米管的结构和性能，综述了碳纳米管/聚合物复合材料的制备方法及其聚合物结构复合材料和聚合物功能复合材料中的应用研究情况，在此基础上，分析了碳纳米管在复合材料制备过程中的纯化、分散、损伤和界面等问题，并展望了今后碳纳米管/聚合物复合材料的发展趋势。 [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。

碳纳米复合材料

碳纳米管及其复合材料 2007-4-3 14:18:08 【文章字体：大中小］打印收藏关闭 纳米技术是21世纪的前沿科学技术，碳纳米管技术则是该领域中一个强有力的生长点。碳纳米管问世十三年来，日益引起了人们极大的兴趣，其独特的性能正在被认识并加以利用，如何降低成本，大量生产有特定结构的碳纳米管依然是人们的努力方向，含碳纳米管的聚合物复合材料蕴含着巨大的发展潜力。 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，其性能远优于现今普遍使用的玻璃纤维。其主要用途之一是作为聚合物复合材料的增强材料。 碳纳米管基本上可分为单壁型和多壁型两类。虽然他们乍看起来非常相似，但其制作方法和性能不尽相同。纳米管的结构决定它们是具有金属性还是具有半导体性质。大约三分之二的单壁纳米管属于半导体型，三分之一属金属型。至于多壁纳米管，由于各层壳的性能的叠加，难以做出明显区别，但大体上是金属型。单壁型碳纳米管外径一般为1到2nm多壁型纳米管直 径则在8到12nm之间，它的典型长度一般为10微米，最长可达100微米, 长径比至少可达1000: 1。 美国国内纳米管的生产商有Hyperion Catalysis （产品是多壁纤维纳米管）和新登陆的Zyvex Corp （产品有单壁和多壁纳米管）。这两家厂商提供的母料中都含有15%到20%的纳米管。 碳纳米管的力学性能相当突出。现已测出多壁纳米管的平均弹性模量为 1.8TPa。碳纳米管的拉伸强度实验值约为200GPa是钢的100倍，碳纤维的20倍。碳纳米管弯曲强度为14.2GPa,尽管碳纳米管的拉伸强度如此之高，但它们的脆性不象碳纤维那样高。碳纤维在约1^变形时就会断裂，而碳纳米管要到约18%变形时才会断裂。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，碳纳米管用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。多壁碳纳米管的平均长径比约为1000；同时，由于纳米管的本身长度极短而且柔曲性好，它们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%勺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。

高分子复合材料的性能特点

高分子复合材料的性能特点 陈金鹏 （河北工业大学材料科学与工程学院，材料物理与化学国家重点学科，天津）摘要：简单介绍了稀土/高分子复合材料，磁智能材料，聚合物基纳米复合材料，导电高分子复合材料，磁性纳米高分子复合材料等几种高分子复合材料的性能和特点，以及对它们的制作方法做了简单的介绍。 关键词：高分子复合材料，纳米材料，特性 The performance characteristics of polymer composite materials Chen jin peng （College of Materials Science and Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin, China ） Abstract: Introduced several the performance and characteristics of the rare earth/polymer composite material l, magnetic intelligent materials, polymer nanocomposites, conductive polymer composite material, magnetic nano polymer composite macromolecule composite materials, and their production methods do briefly introduced. Key words：Polymer composite materials, Nano materials, characteristics 1.1稀土/高分子复合材料 在高分子材料科学发展过程中，兼备高分子材料质轻、高比强度、易加工、耐腐蚀的优点，同时又具有光、电、磁、声等性能的特种高分子复合材料备受推崇。稀土因其电子结构的特殊性而具有光、电、磁等特性，这些特性是人们制备稀土/高分子复合材料强烈的技术和应用的驱动力。在简单掺混型稀土/高分子复合材料的制备过程中,研

高分子复合材料的研究现状与展望(最新篇)

高分子复合材料的研究现状与展望 高分子复合材料的研究现状与展望 研究领域的一个研究热点。复合材料可以发挥各种材料的优点，避其弱点，可充分利用和节约资源，因此科技界将复合材料作为一类新型材料来研究。例如玻璃钢，因质轻、坚硬，机械强度可与钢材相比，已成功用于印刷电路板、汽车车身、船体等领域。 复合材料与陶瓷、高聚物、金属并称为四大材料。其已成为衡量一个国家或地区的复合材料工业水平的标志之一，是国家安全和国民经济具有竞争优势的源泉。有关研究报道指出，到2020年，复合材料性能潜力可获得20%~25%的提升. 随着工业现代化的发展，设备的集群规模和自动化程度越来越高，同时针对设备的安全连续生产的要求也越来越高，传统的以金属修复方法为主的设备维护工艺技术已远远不能满足高新设备的维护需求，对此需要研发针对设备预防和现场解决的新技术和材料，为此诞生了包括高分子复合材料在内的更多新的维护技术和材料，满足新设备运行环境的维护需求。 1、高分子材料研究现状 高分子材料是以高分子化合物为基础的材料，由巨量原子以共价键结合形成相对分子量大、具有重复结构单元的有机化合物。高分子材料按来源分为天然高分子材料、合成高分子材料、半合成高分子材料。生活中的高分子材料很多，如蚕丝、棉、麻、毛、玻璃、橡胶、纤维、塑料、高分子胶粘剂、高分子涂料和高分子基复合材料等.

我国在高分子材料的开发和综合利用虽起步较晚，但高分子材料为我国的经济建设做出了重要的贡献，已建立了完善的高分子材料的研究、开发和生产体系，取得了进步。目前，我国应提高整体科研水平，致力于创新的高分子聚合反应和方法，开发出绿色功能和智能材料，满足工业和新技术的需求，提高人们生活质量。 高分子材料对我们未来的影响是不可预测的，随着科技的发展，高分子材料也可以具有其他材料的特性，成为最全面的材料，能满足人类在工业、医药、航天方面对新材料的需求，造福人类。 2、复合材料研究现状 复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比强度和比模量大、比重小。例如碳纤维与环氧树脂复合的复合材料，其比强度、比模量比钢和铝合金的比强度、比模量大数倍，且具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能. 纤维增强材料的另一个特点是各向异性，可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500℃时仍能保持足够的强度和模量。碳化硅纤维与钛复合，耐热性高，耐磨损，可作发动机风扇叶片。碳化硅纤维与陶瓷复合，使用温度可达1500℃，比超合金涡轮叶片的使用温度高得多。碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨，构成耐烧蚀材料，已用于航天器、火箭导弹和原子能反应堆中。非金属基复合材料由于密度小，用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、节约能源。用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承载能力与重量大5倍多的钢片弹簧相当。

高分子复合材料现状及发展趋势

高分子复合材料现状及发展趋势 8090216 王健敏 摘要：本文概述了高分子复合材料近年来的最新发展状况以及未来的发展趋势。针对不同的高分子复合材料，文章分别简要概括了液晶高分子复合材料、纳米高分子复合材料以及导热高分子复合材料这三种目前发展最为迅猛的高分子复合材料各自的发展状况。通过相关文献所报导的对于复合机理或者是具体应用上的报导，可以得知高性能、高功能、合金化、精细化、智能化的高分子复合材料是未来材料发展的主要方向之一。 关键词：液晶高分子复合材料、纳米高分子复合材料、导电高分子复合材料 21世纪是科技迅猛发展的时代，随着科学技术的发展，人们对聚合物材料的应用性能的要求日益提高，仅由合成法制备新的聚合物越来越难以满足要求的应用性能，而高分子复合材料所表现出来的优异性能引起了科学家的极大关注。高性能、高功能、合金化、精细化、智能化的高分子复合材料将在21世纪发挥出巨大的作用和无限的生命力。目前，高分子复合材料主要有高分子液晶复合材料、高分子纳米复合材料等。另外由于导热高分子复合材料的用途广泛及应用价值巨大，因此将它单独列为一类。随着科学技术的发展，这几类高分子复合材料都得到了长足的发展，下面将分别介绍各种高分子复合材料的发展状况。 1、高分子液晶复合材料

自从1888年奥地利植物学家F. Reinitzer在合成苯甲酸胆甾醇时发现了液晶后[1] , 人们对液晶材料的探索就从未停止。在1966年Dopont 公司首次使用各向异性的向列态聚合物溶液制出商品纤维——Fi2bre B后,高分子液晶走向了工业化道路。至本世纪,高分子液晶的研究已成为高分子学科发展的一个重要方向。液晶高分子当前的发展趋势是：降低成本；发展液晶高分子原位材料；开发新的成型加工技术和新品种；发展功能液晶高分子材料。目前，关于热致液晶高分子的原位复合是液晶高分子复合领域的一大热点。 原位复合材料是以热塑性树脂为基体, 热致液晶高分子为增强剂, 利用热致液晶聚合物易于自发取向成纤维或带状结构的特点, 在共混熔融后拉伸或注射成型时, 体系中的分散相TLCP 在合适的应力作用下取向形成微纤结构, 由于刚性分子链有较长的松弛时间,在熔体冷却时能被有效地冻结或保存在T P 基体中, 从而形成一种自增强的微观复合材料, 即热致液晶原位复合材料[2]。热致液晶高分子( TLCP) 具有高强度、高模量和自增强性能, 杰出的耐高温和冷热交变性能, 优异的阻燃性、耐腐蚀性、耐磨性、阻隔性和成型加工性能, 线胀系数和摩擦系数小, 尺寸稳定性高, 抗辐射、耐微波、综合性能十分优异, 被誉为超级工程材料。 据相关报道，由于碳纳米管( CNT ) 具有卓越的力学、热学、电学等理化性能, 因而广泛用于高分子复合材料改性, 由于长径比较大,只需添加极少的CNT, 就可以显著改善高分子基体的性能[3]，国内外学者对以各种聚合物为基体的CNT /聚合物纳米复合材料进行了广

复合材料的性能和应用

摘要：近年来，各种复合材料制备技术日益更新，从陶瓷基复合材料、金属基复合材料到聚合物基复合材料，各种制备技术都得到了很大改善，使得复合材料的性能和应用得到了显著提高。本文综述陶瓷基复合材料、金属基复合材料、聚合物基复合材料等几种重要的研究方法以及应用。 关键词：先进，复合材料，制造技术。 正文：一·陶瓷基复合材料 工程陶瓷的开发是目前国内外甚为重视的新型材料研究领域。纯陶瓷材料因其脆性，不能满足苛刻条件下的使用要求。因此，目前广泛采取增韧技术来提高陶瓷的使用性能。纤维和晶须增韧陶瓷是一类有效的方法。用纤维来增韧陶瓷的技术是十年代以后开始的，最初是用碳纤维增强陶瓷，八十年代以来又开发了用陶瓷纤维和晶须增韧陶瓷，增韧效果不断取得进展，增韧技术也不断有所创新。连续纤维增强陶瓷基复合材料是最有前途的高温结构材料之一，以其优异的高韧性、高强度得到世界各国的高度重视。 连续纤维补强陶瓷基复合料(Continuous Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites，简称CFCC)是将耐高温的纤维植入陶瓷基体中形成的一种高性能复合材料。由于其具有高强度和高韧性，特别是具有与普通陶瓷不同的非失效性断裂方式，使其受到世界各国的极大关注。连续纤维增强陶瓷基复合材料已经开始在航天航空、国防等领域得到广泛应用.20世纪70年代初，科学家在连续纤维增强聚合物基复合材料和纤维增强金属基复合材料研究基础上，首次提出纤维增强陶瓷基复合材料的概念，为高性能陶瓷材料的研究与开发开辟了一个方向。随着纤维制备技术和其它相关技术的进步，人们逐步开发出制备这类材料的有效方法，使得纤维增强陶瓷基复合材料的制备技术日渐成熟。 由于纤维增强陶瓷基复合材料有着优异的高温性能、高韧性、高比强、高比模以及热稳定性好等优点，能有效地克服对裂纹和热震的敏感性[5-6]，因此，在重复使用的热防护领域有着重要的应用和广泛的市场。连续纤维增韧陶瓷基复合材料具有类似金属的断裂行为，对裂纹不敏感，不会发生灾难性破坏。其耐高温和低密度特性，使其成为发展先进航空发动机、火箭发动机和空天飞行器防热结构的关键材料。 二·金属基复合材料 金属基复合材料具有比强度高，比刚度高，耐热，耐磨，导热，导电，尺寸稳定等优点，是一种很有发展前途的新材料，金属基复合材料广泛应用于制造航空抗天零部件，也用于制造各种民用产品。 按基体分，金属基复合材料分为：铝基、镁基、钛基、锌基、铁基、铜基等金属基复合材料；按增强材料分，可分为：纤维增强金属基复合材料；其纤维有C、SiC、Si3N4、B4C、Al2O3等纤维；粒子增强金属基复合材料，增强粒子有：Al2O3、TiC、SiC、Si3N4、BN、SiC、MgO等。 纤维增强金属基复合材料的制造方法： （1）叠层加压法：工艺过程是：将金属（合金）箔片或纤维增强金属片按要求剪裁，并一层一层的进行叠层，然后加热加压进行成型和连接，一般是在真空或气体中进行。适于这种方法的材料有铝、钛、铜、高温合金，其增强纤维随需要而定。为了改善连接性能，有事在两片之间加入中间金属或在待连接表面涂覆或沉积一层中间金属。 （2）辊轧成型连接法：其主要的基材是铝、钛箔片，增强纤维主要是B、C、SiC、Si3N4等，有时在基材表面要涂覆一层低熔点的中间金属，增强纤维表面要预先浸沾铝或经物理气相沉积（PVI）、化学气相沉积（CVI）处理。 （3）钎焊法：在增强纤维与基材之间加入箔状、粉末状或膏状的钎料，经真空钎焊或保护钎焊而成。钎焊法可以制造管材、型材、叶片等。 （4）热等静压法：如图2所示，其工艺过程是：将纤维与基材进行叠层并装入一模具中，