碳纳米管/高分子复合材料的制备及其性能研究

论文摘要

本文主要研究了碳纳米管/聚偏氟乙烯复合材料的电学性能和温度系数效应。为了充分利用碳纳米管的优异性能,提高碳纳米管与聚偏氟乙烯基体的相容性,我们对碳纳米管进行了化学修饰,制备了羧基修饰和酯基修饰的碳纳米管。利用溶液混合法、冷压、热处理技术,制备了未修饰、羧基修饰和酯基修饰碳纳米管/聚偏氟乙烯复合材料。研究表明:三类碳纳米管复合材料的渗流阈值大致相等,大约都为3.8 vol%。但是,未修饰碳纳米管/聚偏氟乙烯复合材料表现出明显的绝缘体-导体转变性质,而化学修饰碳纳米管复合材料的电导率随着碳管含量的增加缓慢上升。在达到复合材料渗流阈值时,复合材料的介电常数迅速增大。三种复合材料在室温下、1 KHz时所达到的最大介电常数和所需的碳管含量不同,分别为:未修饰碳纳米管/聚偏氟乙烯复合材料的最大介电常数为1700,碳管体积分数为6%;羧基修饰碳纳米管/聚偏氟乙烯复合材料的最大介电常数为3600,碳管体积分数为8%;酯基修饰碳纳米管/聚偏氟乙烯复合材料的最大介电常数为2400,碳管体积分数为6.5%。利用渗流阈值理论对复合材料的电学性质进行了解释。三种复合材料的温度系数效应都比较弱。但是,化学修饰碳纳米管/聚偏氟乙烯复合材料的熔融转变温度提高大约40度。复合材料的介电常数随温度变化关系一致,在1 KHz下表现为先增大后减小,后来又增大的变化趋势,这可能与基体的膨胀以及导电网络的改变有关。这类高介电高分子基复合材料有望在电活性高分子、电致伸缩等功能材料领域得到应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 碳纳米管概述
• 1.2.1 碳纳米管的制备
• 1.2.2 碳纳米管的结构与分类
• 1.2.3 碳纳米管优良的物理性能
• 1.2.4 碳纳米管的纯化与修饰
• 1.3 碳纳米管/高分子复合材料的制备
• 1.3.1 碳纳米管/高分子复合材料性能的影响因素
• 1.3.2 碳纳米管/高分子复合材料的制备方法
• 1.3.3 碳纳米管在高分子基体中的分散途径
• 1.4 聚偏氟乙烯概述
• 1.4.1 聚偏氟乙烯的分子结构
• 1.4.2 聚偏氟乙烯的物化性质
• 1.4.3 聚偏氟乙烯的介电性能和压电性能
• 1.4.4 聚偏氟乙烯的应用
• 1.5 二元复合材料的介电理论
• 1.5.1 Maxwell介质方程
• 1.5.2 Maxwell-Garnet理论
• 1.5.3 Brugeman模型
• 1.5.4 M-G-B理论
• 1.5.5 D-J理论
• 1.5.6 D-J修正理论
• 1.5.7 渗流阈值理论
• 1.6 本课题研究的意义
• 第二章 碳纳米管的化学修饰及其结构表征
• 2.1 引言
• 2.2 实验过程
• 2.2.1 主要原料
• 2.2.2 实验仪器
• 2.2.3 实验过程
• 2.3 碳纳米管结构表征
• 2.3.1 碳纳米管X射线光电子能谱表征
• 2.3.2 碳纳米管红外光谱表征
• 2.3.3 碳纳米管拉曼光谱表征
• 2.3.4 碳纳米管透射电镜表征
• 2.4 本章小结
• 第三章 碳纳米管/聚偏氟乙烯复合材料的制备及其电学性能
• 3.1 引言
• 3.2 实验过程
• 3.2.1 实验原料
• 3.2.2 实验仪器
• 3.2.3 实验步骤
• 3.2.4 复合材料电导率和介电常数的计算公式
• 3.3 碳纳米管/聚偏氟乙烯复合材料的形貌分析
• 3.4 碳纳米管/聚偏氟乙烯复合材料的电学性能
• 3.4.1 碳纳米管/聚偏氟乙烯复合材料的电导性能
• 3.4.2 碳纳米管/聚偏氟乙烯复合材料的介电性能
• 3.5 本章小结
• 第四章 碳纳米管/聚偏氟乙烯复合材料的温度系数效应
• 4.1 引言
• 4.2 试验部分
• 4.2.1 试验原料和仪器
• 4.2.2 实验步骤
• 4.3 结果讨论
• 4.3.1 碳纳米管/聚偏氟乙烯复合材料电阻随温度的变化关系
• 4.3.2 碳纳米管/聚偏氟乙烯复合材料介电性质随温度的变化关系
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢