碳纳米管分布形态对复合材料宏观性能的影响及强化机制的研究

Composite materials have been one of the national strategic industries. Due to the superior properties, carbon nanotube (CNT) composites have attracted much attention from both academia and industry. As a typical one-dimensional material, the distribution status of CNTs in the matrix is a key factor affecting macroscopic properties of the composite materials. Currently, the CNTs used in the composite are always be vertically aligned or highly entangled. A lot of reports indicate that it is difficult to control the distribution status only through, and thereby limiting the improvement of the macroscopic properties of the composite material. The project intends to focus on "The effect of distribution status of carbon nanotubes on the macroscopic properties of composite materials". By controlling the degree of alignment of CNTs in the growth stage by super growth CVD technology and diversifying the integration methods (e.g. through dispersion or direct integration), we realize the diversification of the distribution status of CNTs in the composite. This is for establishing a quantitative relationship between the distribution status and macroscopic properties. Based on the systematic investigation, we intend to give an insight into the reinforcement mechanism of CNT composites. Not only for the improvement of macroscopic properties, the results are meaningful for extending the application field of CNT composites.

复合材料制造是国家战略型新兴产业，碳纳米管复合材料由于表现出来的特异性能近年来倍受关注，已经是学界和工业界的研究与应用热点。作为典型的一维材料，碳纳米管在复合材料中的分布形态是影响所制备材料性能的关键因素。目前碳纳米管高分子复合材料中碳纳米管通常为高度竖直排列的阵列结构或是线团状结构。大量的报道表明仅通过分散对碳纳米管分布形态进行控制是相对有限的，因而无法进一步改善材料的宏观性能。本项目拟围绕“纳米碳管分布形态对复合材料宏观性能的影响”这一主题，使用超级生长（super-growth）技术在生长阶段就对碳纳米管的排列度进行精确可控，通过分散融合与直接融合获得以多种形态分布的碳纳米管复合材料。通过表征碳纳米管在复合材料中的分布形态，建立分布形态与宏观性能的科学联系，并结合系统实验数据进一步对复合材料的强化机制进行研究。项目的实施有望进一步提高复合材料的性能，对于拓展其应用领域有重要的意义。

复合材料制造是国家战略型新兴产业，碳纳米管复合材料由于表现出来的特异性能近年来倍受关注，已经是学界和工业界的研究与应用热点。作为典型的一维材料，碳纳米管在复合材料中的分布形态是影响所制备材料性能的关键因素。目前碳纳米管高分子复合材料中碳纳米管通常为高度竖直排列的阵列结构或是线团状结构。大量的报道表明仅通过分散对碳纳米管分布形态进行控制是相对有限的，因而无法进一步改善材料的宏观性能。本项目拟围绕“纳米碳管分布形态对复合材料宏观性能的影响”这一主题，使用超级生长（super-growth）技术在生长阶段就对碳纳米管的排列度进行精确可控，通过分散融合与直接融合获得以多种形态分布的碳纳米管复合材料。通过研究碳纳米管在复合材料中的分布形态，我们借助于分形维数实现了碳纳米管由严重团聚态到明显网络状解缠状态的定量化评估。建立了分布形态与宏观性能的科学联系，研究了复合材料的强化机制。我们发现无论采用何种分散方法，碳纳米管浓度以及碳纳米管类型，制备出的复合材料电导率和拉伸强度分别与碳纳米管分布形态呈指数和线性增长关系。依据这种关系，能够在复合材料制备过程实现对宏观性能的对比和预测。项目的实施有望进一步提高复合材料的性能并获得集优异力学，电学，热学性能于一体的先进碳纳米管复合材料。依据碳纳米管的强化机制，拓展了其在粘附和能源领域的应用研究，并且制备出了能在-196~1000 °C温度区间内保持热学，电学性能稳定的热界面复合材料。