纳米碳纤维及其应用

功能材料论文：纳米碳纤维及其应用学校：上海电力学院班级：应用化学110103姓名：赵立学号：ys1110122026纳米碳纤维及其应用摘要：作为一种新型碳基纳米材料，纳米碳纤维由于具有优异物理化学性能和可控微结构受到越来越多研究者的重视。本文主要介绍了纳米碳纤维的现状与发展，包括纳米碳纤维的制备、性能与应用。并讨论了纳米碳纤维的市场和发展前景。关键词：纳米碳纤维；性能；应用；发展前景一、前言作为高性能纤维的一种，碳纤维既有碳材料的固有本征。又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代军民两用新材料，已广泛用于航空航天、交通、体育与休闲用品、医疗、机械、纺织等各领域。纳米碳纤维是当代纤维研究领域的前沿课题。也是一项多学科交叉、多技术集成的系统工程。纳米碳纤维(CarbonNanofibers简称CNF)是化学气象生长碳纤维的一种形式，是由通过裂解气相碳氢化合物制备的非连续石墨纤维。纳米碳纤维的研究开始于1991年，日本科学家饭岛利用高分辨电子显微镜在石墨棒放电所形成的阴极沉积物中发现纳米碳纤维，自从发现了纳米碳纤维，它就引起了理论研究者以及工业应用者的兴趣。纳米碳纤维/聚合物基复合材料在世界范围内的研究工作刚刚起步，我国亦在进行跟踪研究。从物理尺寸、性能和生产成本来看纳米碳纤维的构成是以碳黑、富勒烯、单壁和多壁纳米碳管为一端，以连续碳纤维为另一端链节中的一环。纳米碳纤维的直径在50～200nm之间，但目前不少研究工作者把直径在100nm以下的中空纤维称之为纳米碳管，亦即纳米碳纤维的直径介于纳米碳管和气相生长碳纤维之间[1]。与纳米碳管相比纳米碳纤维的制备更易于实现工业化生产。CNFs除了具有CVD法碳纤维低密度、高比模量、高比强度、高导电、热稳定性等特性外，还具有缺陷数量非常少、长径比大、比表面积大、结构致密等优点。由于纳米碳纤维具有许多优异的物理和化学性质，因此可应用于电子器件、聚合物添加剂、储能材料、催化剂载体、电磁屏蔽材料、防静电材料、电磁波吸收材料等诸多领域。二、制备制备纳米碳纤维的三种主要方法以及特性是：(1)基体法在石墨或陶瓷基体上分散纳米级催化剂颗粒的“种粒”，并在高温下通人碳氢气体化合物，热解后在催化剂颗粒上析出纳米碳纤维[2]。利用基体法可制备出纯度较高的纳米碳纤维，但由于超细催化剂颗粒的制备较为困难，且受从板温度和热解气体浓度不均及催化剂粒子在基板上分布不均等因素的影响，纤维生长疏密不匀，也很难得到直径较细的制品。此外，纳米碳纤维仅在有催化剂的基体上生长，产量不高，难以连续生长，不易实现工业生产。(2)喷淋法在苯等液体有机化合物中掺人催化剂，并将含催化剂的混合溶液在外力作用下喷淋到高温反应室中，制备出纳米碳纤维[3]。喷淋法可实现催化剂连续喷入，为工业化连续生产提供了可能，但催化剂与烃类气体的比例难以优化，喷淋过程中催化剂颗粒分布不均匀，且难以达到纳米级形式存在，因此该法生产的纳米碳纤维比例很小，且存在一定的碳黑。(3)气相流动催化法利用此方法可制备出直径为50～200nm的纳米碳纤维。其主要的特征是：催化剂并不附着在基体上，也不像喷淋法那样将催化剂前i%体分散在碳源溶液中，而是直接加热催化剂前驱体，使其以气休形式同烃类气体一起引人反应室，经过不同温度区完成催化剂和烃类气体的分解，分解的催化剂原子逐渐聚集成纳米级颗粒，热解生成的碳在纳米级催化剂颗粒上生成纳米碳纤维[4]。气相流动催化法可以连续生产，单位时间内产量最大,目前利用该法已实现大量生产纳米碳纤维,是三个方法中最可取的一个方法[5]。三、性能及其应用1.纳米碳纤维的力学性能与应用纳米碳纤维阁力学性能相当突出。通常情况下，宏观物体的原子分子间电荷的作用力几乎是全部抵消的，但在纳米尺度，这种电荷的作用力没有完全抵消，纳米碳纤维的有序排列让这些电荷间的作用力充分地显示出来，这些电荷间作用力叠加的效果远远可以超过我们可以想象的其他力。研究表明，纳米碳纤维同时具备高强度、高弹性和高刚度，在提高复合材料力学性能和分子器件方面已显示出巨大的潜力。对纳米碳纤维进行表面处理，以改进它与树脂基体的物理与化学连接。经表面处理的纳米碳纤维可提高纯树脂的强度和模量性能4～6倍。作为结构复合材料增强剂的现实应用是改性基体材料，少量的纳米碳纤维加入到环氧树脂，可极大改进纳米碳纤维复合材料的层间剪切强度，抗拉力、压力、弯曲等力学性能。纳米碳纤维是制备复合材料的理想的轻质增强材料。2.纳米碳纤维电学性能与应用在电性能方面，纳米碳纤维用作聚合物的填料具有独特的优势，由于纳米碳纤维的直径很小，用传统方法很难直接测量出单根纤维的电阻。M.Endo等用四引线法测量了纳米碳纤维在长度方向的电阻，测试结果表明碳化后纤维的电阻率为1×10Ω·㎝，而石墨化后纤维的电阻率为1×10-4Ω·㎝。加入少量纳米碳纤维即可大幅度提高材料的导电性，与以往为提高导电性而像树脂中加入的碳黑相比，纳米碳纤维有高的长径比，因此其体积含量可比球状碳黑减少很多。同时，由于纳米碳纤维的本身长度极短而且柔曲性好它们填入聚合物基体时不会断裂，因而能保持其高径比。由于纳米碳纤维直径细且导电，在纺织品中添加少量纳米碳纤维，既可以防止静电的产生，同时又不会影响纺织品的舒适性。对于面板类的静电喷漆，要求电阻率达到104~106Ω·㎝，加入少量3%纳米碳纤维就可以达到这一要求。而加入一般碳纤维往往不能满足要求，因为一般碳纤维直径太大，使静电喷漆表面而太粗糙。纳米碳纤维直径很细，静电喷漆表面可以达到A级光洁度[6]。3.纳米碳纤维的热学性能与应用由于纳米碳纤维独特的细长结构，使得其热传导性与平行于轴线方向上表现出很大的不同。平行于轴线方向的热传导性可以与具有最高的热传导率的金刚石相媲美；而垂直与轴线方向上，热传导率又非常小。这可能是纳米碳纤维在与轴线垂直方向上的长度数量级要比电介质最可能的点阵振动的波长大，使弥散的纳米碳管或纳米碳纤维有效地形成散射声子的界面，从而减少热传导。由于热传导率在两个方向上的明显差异。科学家们可以通过适当地排列纳米碳纤维获得良好的各向异性热传导材料。中科院物理研究所谢思深研究小组为了研究纳米碳纤维热学性能，开发了一种同时测量细条状导电样品的热导率和比热容的3w方法。这种测量方法使得热学性质的测量如同电阻测量那么容易。对于铂丝的测量结果证明这种方法是简单、正确和可靠的，用来测量极微量样品的热导率比热容，优于常规方法。4.纳米碳纤维电磁性能与应用近年来对纳米碳纤维的研究发现，在平行于管的轴向外加一磁场时，既有金属导电性的碳纳米管表现出Aharonov-Bohm(简称A-B效应)，也就是说，在这种情况下通过碳纳米管的磁通量是量子化的，金属筒外加一平行于轴向的磁场时，金属筒的电阻作为筒内的磁通量的函数将表现出周期性振荡行为，以h/2e（h为普朗克常数，e为电子电量的绝对值）为周期的电阻振荡行为又称为AAS效应。最近，有研究小组在碳纳米管中实现了对AAS效应的测量。可以预计，碳纳米管将取代薄金属圆筒，在电子器件小型化和高速化的进程中发挥重要作用。5.纳米碳纤维储氢性能与应用前人的研究结果表明，纳米碳纤维是一种优良的储氢材料。由于纳米碳纤维具有独特的孔腔结构，因此比表面积极大，可以作为多种气体的快速吸附介质。由于纳米碳纤维独特的晶格排列结构，其储氢数量大大的高过了传统的储氢系统。纳米碳纤维层与层间距为0.343nm，还能产生一些带有斜口形状的层板，层间距为0.337nm。而分子氢气的动力学直径为0.289nm，所以，纳米碳纤维能用来吸附氢气。另外，由于这些层板之间的氢的结合是不牢固的，降压时能够通过膨胀来放出氢气，直到系统将为常压[7]。大量的研究表面，纳米碳纤维是一极具前途的储氢材料，有望促进和推动氢能的利用，特别是氢能燃料电池的汽车的早日实现。6．新型的催化剂载体经过表面处理的纳米碳纤维负载贵金属催化剂，由于纳米碳纤维颗粒比较小，结构可控，而且表面经过一定的处理，使得贵金属很好的负载到纳米碳纤维表面，并很好的结合并分散，所以作为烯烃加氢催化剂一般都有很好的催化活性，使反应有很好的转化率以及选择性。有人对纳米碳纤维做催化剂载体进行研究发现，用纳米碳纤维做载体负载金属制备的催化剂与用活性碳或Al2O3做载体所制备的催化剂相比有更高的转化率，研究者用透射电镜观察了它的形态，发现纳米碳纤维做载体所制备的负载金属催化剂金属颗粒非常小且成六边形，它们的表面分布均匀。这可能是由于金属与载体之间非常强的作用力而使金属在载体表面得以均匀的负载[8]。四、结论纳米碳纤维是一项多学科交叉、多技术集成的系统工程，有着广阔的应用前景：如碳纳米管储氢、锂离子充电电池的电极材料、微区、放射性清洁及同位素分离、纺织混纺材料、高强度碳纤维复合材料、纳米电子器件、催化纤维和膜工业、可溶性碳纳米管试剂、碳纳米管肌肉等。随着我国经济的快速发展，国内对纳米碳纤维的需求与日俱增。纳米碳纤维已成为当代纤维研究领域的热点，世界上许多国家尤其是美国特别重视碳纳米纤维的研究，我们没有理由等闲视之，应抓住机遇，加强碳纳米纤维技术的理论和应用研究，可以预见在不久的将来随着科技的进步和对材料性能要求的不断提高，纳米碳纤维所具有的优越性将会越来越被重视。参考文献[1]赵稼祥.纳米碳纤维及其应用,纤维复合材料,2003,12.3（48）[2]JayasankarM,ChandR,GuptaSetal.Carbon,1995,33:253[3]IshiokaM,OkadaT,MaysubaraK.Carbon,1992,30:859[4]MaxL.Lake,Lecturepresentedatconference“GlobalOutlookforCar-bonFiber2002”.Oct.21-23,Raleigh,NC.USA[5]成会明.纳米碳管制备、结构、物性及应用.北京:化学工业出版社,2002[6]曹莹,吴林志,张博明.碳纤维复合材料界面性能研究.复合材料学报.2005,5.2（17）[7]黄宛真,鱼骨状纳米碳纤维与多壁纳米碳管的制备及其储氢—储锂性能研究.2005,4.1（26）[8]李克许,朱俊,顾雄毅.新型催化剂载体—纳米碳纤维.材料科学化工之友.2006,1（11）