取向碳纳米管复合材料的制备、结构调控及其太赫兹波段光学响应机理研究

Carbon nanotubes (CNTs) present excellent anisotropic absorption property due to their quasi one dimensional structure, and they are very potential to be used for the polarizer materials in the terahertz range. However, most of studies about CNT polarizer is focused on optimizing the performance of the device and the optical response mechanism of CNT materials in the terahertz range is rarely involved. In this project, we plan to fabricate the polymer based composites containing oriented carbon nanotubes. The degree of polymer coverage on CNTs and orientation maintainance of CNT array in composites will be controlled by tuning the process parameters. The relationship of micro-structure and THz polarization between single (multi) walled CNT array and their related composites will be systematically compared and investigated. The optical response mechanism in the terahertz range determined only by inherent structure of CNTs is clarified due to the removal of the interaction between CNTs by polymer coverage. In addition, we also plan to fabricate the polymer based composites containing oriented CNTs-SiC hybrids. The effect of CNT length and the content of hybrids on terahertz polarization will be explored. The mode about the terahertz response of CNT composites will be finally constructed. The results obtained from this project will not only have a significant innovation for deeper understand the intrinsic properties of carbon nanomaterials in the terahertz range theoretically, but also have a fundamental support for the new type of terahertz polarizer technologically.

碳纳米管具有天然的准一维结构和优异的各向异性吸收特性，有望在太赫兹波段偏振调制器件方面实现重要应用。然而，目前的研究主要集中于碳纳米管太赫兹偏振性能优化方面的尝试，缺乏对碳管太赫兹波段光学响应机理的系统研究。本项目拟制备取向碳纳米管聚合物复合材料，研究通过工艺参数的调节来控制碳管的聚合物包覆度和阵列取向保持度；利用聚合物的包覆克服碳管之间的相互作用，系统对比研究单、多壁碳管阵列及其复合材料太赫兹偏振性能与材料结构的关系，阐明仅由碳管本身参数所决定的太赫兹波段光学响应机理。此外，拟制备取向CNTs-SiC杂化结构聚合物复合材料，探索碳管微阵列的长度、含量对复合材料太赫兹性能的影响，建立取向碳管复合材料太赫兹波段偏振响应模型。这一研究，从理论上可加深对碳纳米材料在太赫兹波段性质的认识，从应用上为新型太赫兹偏振调制器件提供技术支持，具有创新性、科学意义和实际应用价值。

碳纳米管具有天然的准一维结构和优异的各向异性吸收特性，有望在太赫兹波段功能器件方面实现重要应用。然而，目前的研究主要集中于碳纳米管太赫兹偏振性能优化方面的尝试，并且由于碳管之间的相互作用，很难对仅由碳管本身参数所决定的太赫兹波段光学响应机理进行系统研究。基于此，本项目首先制备了各向异性的基于取向CNT-SiC多尺度杂化结构的复合材料，并得到了这种复合材料在不同角度下的太赫兹偏振响应特性和规律，此研究在无损检测复合材料中取向填充物方面具有重要的指导意义。其次，对制备的不同长度垂直碳纳米管阵列材料的变角度反射太赫兹波随碳管长度的变化规律进行了研究，阐明了阵列碳管反射太赫兹波时的响应机理。最后，对比研究了阵列碳纳米管材料与其环氧树脂包覆的复合材料在太赫兹产生响应方面的差异，发现聚合物包覆对阵列碳管径向载流子传输有明显的抑制作用，而对轴向载流子传输基本没有影响，这种微观的差异作用导致了两种碳管材料在太赫兹响应方面的差异，使我们对碳管材料在太赫兹波段的响应机理有了更为深入的了解，为开发高性能稳定的基于碳管聚合物复合材料太赫兹波段功能器件提供了理论依据和实验方法。此外，我们还拓展研究了基于碳纳米管、石墨烯以及金属氧化物材料的超级电容器电极材料的结构设计与电化学性能，为基于碳纳米材料的能量储藏器件的结构设计和应用提供了理论依据和前期基础。本项目实施期间，课题组在国际权威SCI期刊上发表研究论文7篇，申请国家发明专利3项，培养研究生5名，并多次参加国内外学术交流与讨论。