碳纳米管树脂复合材料的制备和性能研究

碳纳米管具有优异的力学、电学、热学等机械和物理性能，如何在宏观尺度内有效发挥碳纳米管优异的性能是碳纳米管高分子复合材料研究的关键问题。本项目研究一种以从超顺排碳纳米管阵列中抽取的连续碳纳米管线和薄膜为预置体，制备具有宏观尺度的新型碳纳米管树脂复合材料（包括长线和体材料）的方法。目标是实现微观结构的可控性，包括碳纳米管在树脂基体中的均匀分布，体积含量和取向的可控性，并通过树脂的改性，提高树脂和碳纳米管的浸润性和界面性能，从而显著提高碳纳米管树脂复合材料的性能。研究碳纳米管长度对碳纳米管线和薄膜预置体和后续制备的复合材料性能的影响，以及碳纳米管的引入对树脂基体结构和热稳定性的影响机理。在研究碳纳米管树脂复合材料的微观结构和机械物理性能的关系的基础上，通过改变碳纳米管的长度和树脂改性进一步优化其性能，为探索碳纳米管树脂复合材料作为一种新型宏观尺度的结构和功能材料的应用奠定科学基础。

碳纳米管具有优异的力学、电学、热学等性能，如何在宏观尺度内发挥碳纳米管的特性，获得具有优异性能的碳纳米管复合材料是碳纳米管应用研究中的关键问题。本项目基于超顺排碳纳米管阵列、长线、薄膜，研究具有宏观尺度的碳纳米管复合材料的制备、结构、性能、应用。通过碳纳米管复合材料的结构设计和构筑方法研究，碳纳米管的表面化学改性以及高分子和溶剂的选择，实现了碳纳米管的分布、含量、取向的可控性,改善碳纳米管与其他材料的界面浸润性和相互作用，显著提高碳纳米管复合材料的性能。材料体系不仅仅局限于碳纳米管高分子复合材料，碳纳米管无机非金属复合材料及其在能源领域的应用也是本项目拓展的一个重要研究方向。研究内容包括：碳纳米管的表面化学改性；碳纳米管在溶剂中的分散性研究；宏观尺度碳纳米管海绵体；碳纳米管高分子复合材料的微波合成和性能研究；柔性可拉伸碳纳米管高分子复合材料的制备和性能研究；碳纳米管复合材料在能源领域的应用研究。..本项目取得了如下代表性成果：（1）发展了利用氧化剂对碳纳米管进行表面化学改性的方法，在碳纳米管表面增加了亲水性官能团，提高了碳纳米管的水溶性、化学活性、电化学性能，显著改善了碳纳米管与其他材料的相互作用。（2）实现了碳纳米管在溶剂中的均匀分散和三维网络结构的构筑。超顺排碳纳米管在超声作用下形成连续三维导电网络，将其他材料颗粒包裹在碳纳米管网络中，形成均匀分散的碳纳米管复合材料。（3）基于在溶剂中形成的碳纳米管三维网络，通过冻干法获得了结构和性能可控的宏观尺度碳纳米管海绵体，作为预置体构筑多种碳纳米管复合材料。（4）利用碳纳米管薄膜对微波的吸收作用和放热现象，采用微波熔合方法在高分子表面制备了具有高导电性的碳纳米管涂层, 具有优异的耐刮擦、防静电性能。（5）利用预拉伸的弹性高分子材料作为基底与多层碳纳米管薄膜进行复合，大应变条件下能保持碳纳米管完整的导电网络和碳纳米管高分子复合薄膜恒定的电阻值，在柔性电子学领域将有广泛的应用。（6）采用原位合成的方法构筑了多种碳纳米管无机非金属复合材料，用作锂离子电池和锂硫电池电极。复合电极具有高强度、高柔韧性、多孔结构、高比容量和优异的循环倍率性能。上述成果为探索碳纳米管复合材料作为一种新型宏观尺度的结构和功能材料的应用奠定了坚实的科学基础。本项目共发表SCI论文11篇，获得授权专利8项，国际会议特邀报告4次，已顺利完成项目计划。