等离子激励碳纳米管多质体中热输运及热功转化的自分散机理研究

The study is aimed to investigate the mechanism of thermal transport and self-dispersing process in a multi body mixture formed by carbon nanotubes (CNTs) and water excited by plasma using experimental results, numerical simulations and theoretical analyses. Numerical simulations are performed by building the model of “thermal bridge” and thermal contact resistance, and then theoretical analyses can be constructed based on the numerical results. Results can suggest the self-dispersing effects and thermal change regularities in the cases of different parameters such as the size, the mixture density, the mixture ratio and plasma environment of CNTs. In addition, the microstructure characteristic of CNTs can be observed from results, including the surface profile, the degree of dispersion, the features of structure and composition. It can be revealed that the dispersing degree of CNTs may be closely related with different plasma environment parameters such as the plasma power and the discharge modes, and the corresponding relationship can be concluded. Besides, the application research can be carried out, which can focus on the dispersion of CNTs mixed with rubber. The research can help provide a fresh solution to the problem of self-dispersing process in CNTs, and it can also promote the development of different scientific fields such as thermology, materialogy and electronic science, which has important scientific significance and great potential application prospects.

本项目针对等离子激励下，碳纳米管多质团聚体热输运及热致自分散过程开展数值模拟、理论分析和实验方面的研究工作。通过构建碳纳米管“导热桥”热传导和接触热阻模型，开展数值模拟，探索碳纳米管“导热桥”热传导和接触热阻变化规律及其影响；建立理论模型，开展碳纳米管多质团聚体等离子热激励过程中的热功转化及热致分散机理研究，揭示碳纳米管尺寸、团聚密度、多质比例、等离子环境等参数对多质团聚体传热及小分子可汽化物汽化力场致热分散的影响和变化规律；构建等离子热激励环境，开展碳纳米管热致分散方法的研究，实现碳纳米管分散体形貌、结构、分散度、表面物化组成等方面的微观表征，揭示等离子体功率及放电形式、电极密等与碳纳米管分散度之间的关联性规律；开展碳纳米管分散体掺杂橡胶的应用研究。项目的研究为解决碳纳米管的分散难题提供新的思路。将有效地推动热学、材料科学、电子科学等领域的学术交叉与发展，具有重要的科学意义和应用前景。

碳纳米管具有优异的热学、力学、电学和光学特性，可作为高性能复合材料的增强剂，具有良好的应用前景，但碳纳米管具有独特的一维结构，有较强的范德华力以及较大的长径比，致使管状碳纳米管纠结在一起，宏观上常常以大集团团聚体的形式存在，正是由于其自身特殊的结构形貌造成碳纳米管易团聚的特点，其在各领域的应用受到制约。.本项目针对等离子激励下，碳纳米管多质团聚体热输运及热致自分散过程开展数值模拟、理论分析、实验探究及相关应用探索等研究工作。其中理论方面构建了等离子激励环境下碳纳米管分散的理论模型、利用分子动力学对高温激励下碳纳米管/水混合体系进行模拟以构建混合体系激励分子动力学模型、研究了碳纳米管对高热流下爆发沸腾传热强化和稳定及碳纳米管热激励分散过程。实验方面开展了等离子热激励下碳纳米管分散的实验研究，探索了等离子纳米分散的热、电行为，进行基于单元碳纳米管热分散机制的多元纳米材料微域穿插性研究及双向等离子纳米分散与原位纳米改性同步化效应现象的探索，自主设计试制了碳纳米管气凝胶中型自动化分散系统，并在中试设备基础上研发小型化碳纳米管分散装置以匹配相关领域的产业化应用。表征及应用方面对碳纳米管气凝胶进行表征，发现了碳纳米管气凝胶三维交联，在凝胶溶液中存在完整的支撑网络，碳纳米管的晶型与结构并没有受到分散用等离子的破坏，且碳纳米管并没有受到分散用等离子能量作用与所用工质发生化学反应，以此证明了等离子热激励对碳纳米管分散具有经典技术未能达到的良好效果。此外，基于等离子碳纳米管气相分散技术开展了多元化应用，在橡胶复合材料、碳纤维、化学纤维及薄膜改性应用中取得良好效果，并研制出连续化分散改性装备。.本项目提出的等离子激励碳纳米管分散方法及相关研究可为解决碳纳米管乃至纳米材料领域内的分散问题提出一种新思路，将有效地推动热学、材料科学、电子科学等领域的学术交叉与发展，具有良好的科学意义和应用前景。