碳基復(fù)合材料的制備及性能研究.pdf

1、碳納米管(CNT)是一種具有優(yōu)良的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)性能的一維碳材料，被廣泛用做增強(qiáng)體，與聚合物基體復(fù)合從而得到高性能的復(fù)合碳材料。石墨烯是繼碳納米管之后發(fā)現(xiàn)的又一類新型碳材料，其不僅具有獨(dú)特二維結(jié)構(gòu)，且導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到5×103 W/m·K。近些年來(lái)，石墨烯的制備、性能及應(yīng)用成為了功能材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。此外，金屬銀具有優(yōu)良的延展性能以及導(dǎo)電性能，被廣泛應(yīng)用到電子和航天等領(lǐng)域，研究表明將石墨烯的高強(qiáng)度、高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱等優(yōu)異性能引入到銀基復(fù)合

2、材料中，將有助于提高銀基復(fù)合材料的傳熱性能。本論文通過熔融共混復(fù)合技術(shù)制備了碳納米管/聚偏氟乙烯復(fù)合材料，用氧化還原法制備了石墨烯，且通過粉末冶金法制備了石墨烯/銀基復(fù)合材料，研究了碳納米管/聚偏氟乙烯復(fù)合材料、石墨烯及石墨烯/銀基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能。
　　本文的主要研究?jī)?nèi)容和實(shí)驗(yàn)結(jié)果概括為以下幾個(gè)方面:
　　1.通過熔融共混復(fù)合技術(shù)制備碳納米管/聚偏氟乙烯復(fù)合材料。以聚偏氟乙烯(PVDF)為載體，多壁碳納米管(MWCNT

3、)為增強(qiáng)基，制備了MWCNT/PVDF復(fù)合材料。利用X射線衍射儀(XRD)、阻抗分析儀(LCR)和導(dǎo)熱系數(shù)分析儀(LFA447)對(duì)MWCNT/PVDF復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、阻抗和熱導(dǎo)率進(jìn)行了表征和測(cè)試，同時(shí)應(yīng)用Cole-Cole模型研究了阻抗實(shí)部和虛部的關(guān)系。研究結(jié)果表明:碳納米管經(jīng)過表面改性之后，得到的復(fù)合材料的導(dǎo)電率顯著下降;且復(fù)合材料的熱導(dǎo)率與碳納米管的體積分?jǐn)?shù)呈線性關(guān)系變化。
　　2.采用氧化還原法制備石墨烯。以鱗片石墨為原料，

4、高錳酸鉀為氧化劑，濃硫酸和濃磷酸為插層劑，抗壞血酸為還原劑，水熱為還原條件，制備了薄膜狀石墨烯。通過控制變量法，改變還原的溫度和時(shí)間，進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。用XRD、掃描電鏡(SEM)、拉曼光譜(Raman)及透射電鏡(TEM)等表征了在150℃8 h、150℃10 h、150℃12 h、180℃10 h、200℃10 h水熱還原條件下得到的石墨烯的形貌及結(jié)構(gòu)。結(jié)果發(fā)現(xiàn):還原得到的石墨烯宏觀上整體呈穩(wěn)定的柱狀水凝膠形態(tài)，當(dāng)還原溫度一定時(shí)，隨

5、著還原時(shí)間的延長(zhǎng)，石墨烯水凝膠的尺寸逐漸增大;當(dāng)還原時(shí)間一定時(shí)，石墨烯水凝膠的尺寸隨著還原溫度的升高逐漸增大。不同還原條件下還原得到的石墨烯微觀上均呈現(xiàn)出3-D多孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);150℃10 h水熱條件下還原得到的石墨烯微觀形貌質(zhì)量最好，呈透明的薄片狀結(jié)構(gòu);石墨烯的XRD特征衍射峰出現(xiàn)在23°～26°附近，當(dāng)溫度都為150℃時(shí)，隨著水熱時(shí)間的延長(zhǎng)，得到的石墨烯晶面間距增大;且在相同的反應(yīng)時(shí)間(10 h)下，石墨烯的晶面間距隨著水熱還原溫度

6、的升高增大;在1356 cm-1和1615cm-1位置附近分別出現(xiàn)了石墨烯的拉曼散射D峰和G峰;當(dāng)溫度均為150℃時(shí)，隨著水熱還原時(shí)間延長(zhǎng)，石墨烯的ID/IG值呈先減小后增大的趨勢(shì)，但是當(dāng)反應(yīng)時(shí)間均為10h時(shí)，石墨烯的ID/IG值隨著水熱還原溫度的升高逐漸增大;在低倍TEM觀察下，石墨烯呈現(xiàn)為具有褶皺的薄片狀，并且其邊緣部分延展成清晰的透明薄膜。
　　3.通過粉末冶金法制備石墨烯/銀基復(fù)合材料。以銀金屬粉末作為載體，石墨烯為增強(qiáng)相

7、，制備了石墨烯/銀基復(fù)合材料。通過SEM表征了石墨烯/銀基復(fù)合材料的微觀形貌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料內(nèi)部的孔隙增多;銀粒子與石墨烯之間并沒有形成化合鍵，而只是銀粒子之間的表面擴(kuò)散，且其表面擴(kuò)散受到摻入的石墨烯的阻礙。用阿基米德原理對(duì)含有不同石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料的密度進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果顯示:隨著石墨烯質(zhì)量百分比的增加，復(fù)合材料的致密度幾乎呈現(xiàn)線性下降;采用阿基米德原理和LFA447測(cè)試了經(jīng)過冷等靜壓和燒結(jié)處理的復(fù)合材

8、料的密度和熱導(dǎo)率，研究結(jié)果表明，對(duì)于石墨烯的摻入量為1wt％的復(fù)合材料，當(dāng)保壓時(shí)間一定時(shí)，隨著冷等靜壓壓強(qiáng)增加，復(fù)合材料的密度提高了6.2％，且導(dǎo)熱系數(shù)從37.10W/m·K增加到64.56W/m·K;在相同的保溫時(shí)間(5 h)內(nèi)，復(fù)合材料的密度隨著燒結(jié)溫度的升高而增大，且隨著燒結(jié)溫度從500℃升高到800℃，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率從37.79W/m·K增加到92.89W/m·K，幾乎增大了1.46倍。因此，隨著復(fù)合材料的致密度提高，其熱導(dǎo)率