碳基復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、電學和熱學性能的一維碳材料，被廣泛用做增強體，與聚合物基體復合從而得到高性能的復合碳材料。石墨烯是繼碳納米管之后發(fā)現的又一類新型碳材料，其不僅具有獨特二維結構，且導熱系數達到5×103 W/m·K。近些年來，石墨烯的制備、性能及應用成為了功能材料領域的研究熱點。此外，金屬銀具有優(yōu)良的延展性能以及導電性能，被廣泛應用到電子和航天等領域，研究表明將石墨烯的高強度、高導電、高導熱等優(yōu)異性能引入到銀基復合

2、材料中，將有助于提高銀基復合材料的傳熱性能。本論文通過熔融共混復合技術制備了碳納米管/聚偏氟乙烯復合材料，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/銀基復合材料，研究了碳納米管/聚偏氟乙烯復合材料、石墨烯及石墨烯/銀基復合材料的結構和性能。
　　本文的主要研究內容和實驗結果概括為以下幾個方面:
　　1.通過熔融共混復合技術制備碳納米管/聚偏氟乙烯復合材料。以聚偏氟乙烯(PVDF)為載體，多壁碳納米管(MWCNT

3、)為增強基，制備了MWCNT/PVDF復合材料。利用X射線衍射儀(XRD)、阻抗分析儀(LCR)和導熱系數分析儀(LFA447)對MWCNT/PVDF復合材料的結構、阻抗和熱導率進行了表征和測試，同時應用Cole-Cole模型研究了阻抗實部和虛部的關系。研究結果表明:碳納米管經過表面改性之后，得到的復合材料的導電率顯著下降;且復合材料的熱導率與碳納米管的體積分數呈線性關系變化。
　　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間，進行了系統(tǒng)的實驗。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構。結果發(fā)現: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)，當還原溫度一定時，隨

5、著還原時間的延長，石墨烯水凝膠的尺寸逐漸增大;當還原時間一定時，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出3-D多孔的網狀結構;150℃10 h水熱條件下還原得到的石墨烯微觀形貌質量最好，呈透明的薄片狀結構;石墨烯的XRD特征衍射峰出現在23°～26°附近，當溫度都為150℃時，隨著水熱時間的延長，得到的石墨烯晶面間距增大;且在相同的反應時間(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位置附近分別出現了石墨烯的拉曼散射D峰和G峰;當溫度均為150℃時，隨著水熱還原時間延長，石墨烯的ID/IG值呈先減小后增大的趨勢，但是當反應時間均為10h時，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/銀基復合材料。以銀金屬粉末作為載體，石墨烯為增強相

7、，制備了石墨烯/銀基復合材料。通過SEM表征了石墨烯/銀基復合材料的微觀形貌，結果發(fā)現隨著石墨烯質量分數的增加，復合材料內部的孔隙增多;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散，且其表面擴散受到摻入的石墨烯的阻礙。用阿基米德原理對含有不同石墨烯質量分數的復合材料的密度進行了測量，結果顯示:隨著石墨烯質量百分比的增加，復合材料的致密度幾乎呈現線性下降;采用阿基米德原理和LFA447測試了經過冷等靜壓和燒結處理的復合材

8、料的密度和熱導率，研究結果表明，對于石墨烯的摻入量為1wt％的復合材料，當保壓時間一定時，隨著冷等靜壓壓強增加，復合材料的密度提高了6.2％，且導熱系數從37.10W/m·K增加到64.56W/m·K;在相同的保溫時間(5 h)內，復合材料的密度隨著燒結溫度的升高而增大，且隨著燒結溫度從500℃升高到800℃，復合材料的熱導率從37.79W/m·K增加到92.89W/m·K，幾乎增大了1.46倍。因此，隨著復合材料的致密度提高，其熱導率