增强体复合材料原理

主要内容一二纳米碳管微珠知识点4-微珠、纳米碳管、石墨烯、有机纤维三四石墨烯有机纤维五金属丝

a）微珠粉体（b）单个微珠（c）同尺寸微珠（d）异尺寸微珠图1空心玻璃微珠一、微珠1、分类：微珠有空心和实心之分。或无机、有机和金属三类2、空心玻璃微珠1）性能：具有隔热保温、吸声的特点。2）应用：空心玻璃微珠聚氨酯材料，有效地解决了海底管道输送原油时的保温难题。

二、碳纳米管图2单壁碳纳米管（a）及其三种类型（b）（锯齿形、扶手椅形和螺旋形）1.力学性能：杨氏模量：单壁为1054GPa，多壁则高达1200GPa，比一般碳纤维高一个数量级。拉伸强度：为50～200GPa，约是高强钢的20倍，而比重只有钢的六分之一，如果用碳纳米管作出绳索，从月球上挂到地球表面，它是唯一不被自身重量所拉断的绳索。2.化学性能：碳纳米管的化学性能稳定，仅次于石墨，在真空或惰性气氛中能够承受1800℃以上的高温，被认为是理想的聚合物基复合材料的增强体。

原理：采用石墨电极（阴、阳）在直流电源作用下引弧放电，形成高温（2700～3700℃），渗有过渡金属Fe、Co、Ni催化剂的阳极石墨蒸发，碳原子在催化剂的作用下在阴极重组形成碳纳米管。该法可生产比较完整的单壁和多壁管，但碳纳米管无序、易缠结、纯度低，产率仅为30%左右。3.制备方法有三种：1）电弧放电法；2）化学气相沉积法；3）激光蒸发法1）电弧放电法图3电弧放电法示意图

2）激光蒸发法原理：采用CO2激光或Nd/YAG激光作用渗有过渡金属Fe、Co、Ni或其合金的碳靶，产生高温蒸发，在低压惰性气氛中形成碳纳米管。该法制得的一般为单壁碳纳米管或单壁碳纳米管束，管径可通过激光脉冲来控制，碳纳米管的纯度低，且易缠结。图4激光蒸发法示意图

3）化学气相沉积法碳源（碳原子数小于或等于6的碳氢化合物及CO、CO2等），高温裂解生成碳原子，附着在过渡金属催化剂纳米颗粒上，并在催化剂的作用下形成碳纳米管。催化剂的作用原理是过渡金属能与碳原子形成介稳定的碳化合物，并且碳原子能在这些金属中很快地渗透，因此沉积在过渡金属纳米颗粒某一面上的碳原子可渗透到颗粒的另一面而形成碳纳米管。图5化学气相沉积法示意图图6纳米碳管生长前后SEM照片

三、石墨烯1.概述：?2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯是构成下列碳同素异构体的基本单元：碳纳米管和富勒烯，石墨，木炭。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。石墨烯电池的充电速度比传统的快100倍。图7石墨烯照片

2.制备方法：1）微机械剥离法操作简单、但可控性差，效率低、石墨烯尺寸大小不一，难量产。2)外延生长法有SiC外延生长和金属催化外延生长两种。（1）SiC外延生长即高温下SiC表面的Si原子蒸发（升华）脱离表面，剩下的C原子在SiC表面自组装重构而成石墨烯。（2）金属催化外延生长是指高真空条件下将碳氢化合物通入到具有催化活性的过渡金属基底如Pt,Ir,Ru,Cu等表面，通过加热，使吸附气体催化脱氢从而制得石墨烯。由于基底吸附气体后不会重复吸收，故表面产生的石墨烯多为单层，且可大面积制备出均匀的石墨烯。

3)CVD法原理：将碳氢化合物甲烷、乙醇等通入高温加热的金属基底Cu、Ni表面。化学分解反应持续一定时间后冷却，分离的碳原子沉积在基底表面，通过溶解和扩散生长两步骤形成单层或数层石墨烯。特点：可制备面积较大的石墨烯，但成本高，工艺复杂。

4)氧化石墨还原法过程：先将强氧化剂浓硫酸、浓硝酸、高锰酸钾等，将石墨氧化成氧化石墨，氧化过程即为在石墨层间穿插一些含氧官能团，从而加大了石墨层间距，然后经超声处理，即可获得单层或数层氧化石墨烯，再用强还原剂水合肼、硼氢化钠等将氧化石墨烯还原成石