Abstract
Since 1991 Tsukuba, Japan, NEC Laboratories physicist Sumio Iijima (Sumio Iijima) [1] first reported the nanotubes since its unique atomic structure and properties of great interest to scientists. Different layers of graphite nanotubes can be divided into single-walled carbon nanotubes (SWNTs) and multi-walled carbon nanotubes (MWNTs). Carbon nanotubes have a high specific surface area, mechanical properties (axial carbon nanotubes theoretically elastic modulus and tensile strength were 1 ~ 2 TPa and 200Gpa), excellent thermal properties and electrical properties (carbon nanotubes heat up to a temperature under vacuum 2800 ℃, is two times the thermal conductivity of diamond, the electron carrier capacity is 1000 times that of copper wire) [2-7]. These features make carbon nanotubes in composite materials ideal filler. Can be easily processed into a polymeric structure of complex components manufactured using conventional processing methods to the polymer / carbon nanotube composite materials processing and manufacturing into a complicated structure member, and in the process will not damage the carbon nanotubes structure, thereby reducing production costs. Accordingly, the polymer / carbon nanotube composites have been extensively studied.
Depending on the application purpose, the polymer / carbon nanotube composites can be correspondingly divided into structural and functional composite material composite of the two categories. In recent years, people have prepared various polymer / carbon nanotube composites, and other properties of various mechanical properties, electrical properties, thermal properties, optical properties of the prepared composites were extensively study results of these studies show that: properties of the polymer / carbon nanotube composites depends on various factors such as the type of carbon nanotubes (single-wall carbon nanotubes or multi-walled carbon nanotubes), the shape and structure (diameter length and chiral) and the like. This paper mainly research status of polymer / carbon nanotube composites were reviewed, and discussed the challenges they face.
Key words: carbon nanotubes , composite materials, structure, performance
广东工业大学无机功能材料课程论文
碳纳米管复合材料研究现状及发展
前言
碳纳米管是20世纪90年代发现的一种碳材料的一维形式，具有优良的物理化学性能。由于其独特的电学、光学和机械特性，碳纳米管在物理、化学、信息技术、环境科学、材料科学、能源技术、生命及医学科学等领域均具有广阔的应用前景。正是由于碳纳米管这种潜在的价值和广泛的应用前景，使有关碳纳米管复合材料的研究成为最受关注的研究领域之一。
日本科学家Iijima发现碳纳米管(CNTs)以来，CNTs就因其独特的结构和性能而引起了广泛的关注。碳纳米管分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，含有一层石墨烯片层的称为单壁碳纳米管(Single．walled carbon nanotube，SWNTs)，多于一层的则被称为多壁碳纳米管(Multi．walled carbon nanotube，
MWNTsl，石墨烯的片层一般可以从一层到上百层。碳纳米管是由石墨六边形网络卷曲而成的管状物，具有独特的纳米中空结构、封闭的拓扑构型及螺旋结构，从而具有大量特殊的优异性能，如高强度、高弹性、高比表面积、耐热、耐腐蚀、导热和导电性等。这使得碳纳米管在复合材料、储氢材料、场发射材料和催化剂材料等方面有着巨大的应用潜力。碳纳米管的模量与金刚石相同，理论强度达到了106兆帕，是钢的100倍，而密度仅为钢的1／6，同时它耐强酸，耐强碱，在空气中700℃以下基本不氧化，又具有良好的韧性和结构稳定性。除此之外，碳纳米管无毒，还有良好的生物相溶性和可降解性，是作为复合材料增强相的理想选择[12, 13]。
因此，如何发挥发挥碳纳米管的增强潜力，制备碳纳米管分布均匀的高性能复合材料就成为目前研究的关键。作为一种纳米物质，碳纳米管极易团聚，如何将其在复合材料中均匀分散是材料制备中遇到的首要问题；另外碳管与基体的界面结合情况也直接影响复合材料的性能，本文主要针对这两方面的问题进行研究。
第一章.碳纳米管
在1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛(Iijima)在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是现在被称作的“Carbon nanotube”，即碳纳米管,又名巴基管。碳纳米管自从被人类发现以来，就一直被誉为未来的材料，是近年来国际科学的前沿领域之一。美国加州 Berkeley 大学 Alex Zettl 教授认为，就应用前景对 C60和碳纳米管进行全面的比较，C60可以用一页纸概括，而碳纳米管需要一本书来完成。碳纳米管具有优良的场发射性能，制作成阴极显示管，储氢材料。我国自制的碳管储氢能力达到4%，据世界领先水平。碳纳米管(CNTs)[22]作为一种典型的几乎全部由碳元素组成(只在表面有少量氧、氢等异种元素)的一维纳米新材料，逐渐引起广大研究者的注意。
1 碳纳米管的结构
碳纳米管，管状的纳米级石墨晶体，是单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管，每层的C是SP3杂化，形成六边形平面的圆柱面。碳纳米管是继C60之后发现的碳的又一同素异形体，其径向尺寸较小，管的外径一般在几纳米到几十纳米，管的内径更小，有的只有1nm 左右；而其长度一般在微米级，长度和直径比非常大，可达 103～106。因此，碳纳米管被认为是一种典型的一维纳米材料。它主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约为0.34nm，直径一般为2～2Onm。由于其独特的结构，碳纳米管的研究具有重大的理论意义和潜在的应用价值。
2 碳纳米管的性能
由于碳纳米管的结构特点，使它具有了高模量、高强度、韧性等的力学性能。CNTs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；它的弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸，是理想的高强度纤维材料。2000年10月，美国宾州州立大学的研究人员称，碳纳米管的强度比同体积钢的强度高100倍，重量却只有后者的1/6到1/7。碳纳米管因而被称“超级纤维”。
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同时，碳纳米管还具有以下几种良好的性能： （1）导电性能
由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当CNTs的管径大于6nm时，导电性能下降；当管径小于6nm时，CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。有报道说Huang通过计算认为直径为0.7nm的碳纳米管具有超导性，尽管其超导转变温度只有1.5×10-4K，但是预示着碳纳米管在超导领域的应用前景。 （2）传热性能
碳纳米管具有良好的传热性能，CNTs具有非常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性能很高，相对的其垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料。另外，碳纳米管有着较高的热导率，只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管 ,该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善。碳纳米管还具有光学和储氢等其他良好的性能,正是这些优良的性质使得碳纳米管被认为是理想的聚合物复合材料的增强材料[43，44]。
3 碳纳米管的制备
目前常用的碳纳米管制备方法主要有：电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法（碳氢气体热解法），固相热解法、辉光放电法和气体燃烧法等以及聚合反应合成法。
各种制备方法都有其优缺点，而目前生产碳纳米管的方法主要有电弧放电法。这种方法是让气态烃通过附着有催化剂微粒的模板，在800~1200度的条件下，气态烃可以分解生成碳纳米管。这种方法突出的优点是残余反应物为气体，可以离开反应体系，得到纯度比较高的碳纳米管，同时温度亦不需要很高，相对而言节省了能量。但是制得的碳纳米管管径不整齐，形状不规则，并且在制备过程中必须要用到催化剂[45]。目前这种方法的主要研究方向是希望通过控制模板上催化剂的排列方式来控制生成的碳纳米管的结构，已经取得了一定进展。
4 碳纳米管的处理
由于碳纳米管化学性质非常稳定，不溶于水和有机溶剂，分散性差且易于形成大的团聚体，使得碳纳米管与基体之间仅有较弱的相互作用，不能显著改善复合物的性质，极大地制约了其应用性能的研究。为了充分发挥碳纳米管的优异性能，对于碳纳
米管的改性引起了科学家的极大兴趣，并开展了广泛的研究。处理后的碳纳米管与羟基磷灰石的浆料结合后能够改善羟基磷灰石的力学性能低，可靠性差的特点，对生物陶瓷材料的发展有重要的意义。科学家们在试验中尝试了各种办法： （1）高能超声振荡法
高能超声振荡法就是在一定的介质（一般为液体介质）中对碳纳米管进行超声波振荡，利用超声波的空化效应打散团聚在一起的碳纳米管，使之分散开来，然后再通过适当的手段使这种分散转移到基体中并稳定下来。这是目前碳纳米管复合材料制备过程中常用的一种方法。D．Qian等人以甲苯作介质，采用超声波振荡＋溶剂蒸发的方法分散多壁碳纳米管，首先制备出了多壁碳纳米管（MWNT）/聚苯乙烯（PS）复合材料。电镜测试结果表明，碳纳米管已均匀的分散于PS基体中。 （2）添加表面活性剂（或增容剂）及表面包覆法
表面活性剂是一种具有双亲性官能团的化合物，是聚合物共混和复合过程中常用的添加剂之一，它的加入可以有效的增加参与共混或复合的各组分间的相容性与相间结合力，对于提高材料的性能有着很大的作用。因此，近来，也有人把它用在了碳纳米管复合材料的制备上。表面包覆可以看作是对表面活性剂法的一种扩展，它是先将碳纳米管与一种能与它形成良好界面结合的、有着特殊基团的聚合物A混合，制成母料，然后再把这种母料通过一定的加工手段与另一种聚合物B混合，其中B与A有良好的相容性。这样，聚合物A就把聚合物B与碳纳米管\粘结\了起来，起到了一种类似表面活性剂的作用，这样就可大大提高碳纳米管的分散性及其与基体间的结合力
[46]
。
在碳纳米管的这类提高分散性的方法中，Gong等人[26]的实验是最具代表性的。
他们最早研究了非离子型表面活性剂（C12E8O）对碳纳米管在环氧树脂中分散性的影响，他们发现了加入的表面活性剂通过自身两种基团分别与碳纳米管和环氧树脂的作用，起到了分散碳纳米管和增加相间结合力的作用，从而使碳纳米管的优异性能得以体现。
（3）碳纳米管的化学修饰及改性的方法
碳纳米管的化学修饰及改性是指对碳纳米管进行一定的物理化学处理，使其表面的碳原子上接枝上－OH、－COOH或C＝O等极性基团，就可以通过这些极性基团与基体间某些基团的极性作用来形成良好的界面结合，从而提高碳纳米管在基体中的分散