碳纳米管/含二氮杂萘酮联苯结构聚合物新型复合材料

论文摘要

含二氮杂萘酮联苯结构高性能聚合物是本研究团队开发成功并具有自主知识产权的一类新型特种工程塑料,具有耐高温、可溶解、综合性能优异的特点,在军工航天等领域有着广泛的应用前景,是制备高性能复合材料非常理想的基体选材。近年来,碳纳米管以其优良的导电性能和卓越的机械性能在开发新型功能复合材料方面已经成为研究热点。本文结合以上两种材料的优异性能,采用不同方法制备了多种碳纳米管/含二氮杂萘酮联苯结构聚合物复合材料,以期得到具有较好电学性能、力学性能的新型耐高温功能材料,满足高技术领域对该类功能材料的迫切需求。重点考察了制备方法以及碳纳米管官能化改性对复合材料结构和性能的影响。并探索性的研究了碳纳米管/含二氮杂萘酮联苯结构聚芳醚砜酮复合材料的微波吸收性能,为开发高性能吸波隐身材料提供了实验基础和理论支持。本文以两种典型的含二氮杂萘酮联苯结构高性能聚合物（聚芳醚砜酮PPESK和聚芳酰胺PPEA）为基体,酸纯化处理的碳纳米管为填料,分别通过溶液共混、原位复合等方法制备复合材料。采用红外光谱、拉曼光谱、扫描电镜等方法对复合材料结构进行表征,并测试了复合材料的力学性能、导电性能以及耐热性能。考察了碳纳米管含量、制备方法等因素对复合材料结构及性能的影响。结果表明碳纳米管的加入明显提高了复合材料的导电性能,随碳纳米管含量增加复合材料导电性的变化呈现出典型的渗流现象。复合材料的力学性能和耐热性能也随碳纳米管的加入有一定程度的提高。对比不同的制备方法,通过原位法得到的复合材料,碳纳米管在基体中有更为充分的分散,填料和基体之间有较好的界面结合,其导电性能和力学性能都优于相同含量通过溶液共混法制备的复合材料。本文选用与聚合物基体化学结构相近的含二氮杂萘酮联苯结构二胺与酰氯化的碳纳米管发生酰胺反应,制备了含二氮杂萘酮联苯结构二胺有机官能化改性碳纳米管,再使用官能化的碳纳米管通过溶液共混的方法分别与PPESK、PPEA基体制备复合材料。采用红外光谱、拉曼光谱、扫描电镜、透射电镜、热失重等方法对有机官能化碳管及其复合材料的结构进行表征,并对复合材料的力学性能、导电性能及耐热性能进行测试。结果表明通过共价作用含二氮杂萘酮联苯结构二胺键合在碳纳米管的表面。采用有机官能化改性碳纳米管制备复合材料,与未官能化改性碳管相比,提高了碳管在基体中的分散程度,改善了填料和基体间的界面相互作用。复合材料的导电性能和力学性能优于相同含量的未改性碳纳米管复合材料。本文通过化学沉积镀镍的方法对碳纳米管进行表面改性,制备了镀镍碳纳米管,并采用扫描电镜和能量散射光谱对其结构及元素组成进行了表征。结果表明金属镍能够较为均匀地涂覆在碳纳米管的表面,在镀镍过程中使用超声振荡有利于得到高质量的镀层。在此基础上,通过溶液共混法制备了镀镍碳纳米管/PPESK复合材料,并与未镀镍碳纳米管/PPESK复合材料进行对比研究,考察了材料的导电性能、微波吸收性能、力学性能及耐高温性能。复合材料的导电性能测试表明,镀镍碳纳米管/PPESK复合材料比碳纳米管/PPESK复合材料具有相对更好的导电性,两种复合材料的体积电阻率在几乎相同的碳管含量范围内展示了类似的渗流转变行为。微波吸收性能测试表明,镀镍碳纳米管/PPESK与碳纳米管/PPESK复合材料相比,反射损耗小于-10 dB的频率范围有拓宽的趋势,并且展示了更低的反射损耗最小值。镀镍碳纳米管/PPESK复合材料具有更好的吸波性能,归因于填料碳纳米管化学沉积镀镍处理提高了材料的电磁特性。在研究的碳管含量范围内,碳纳米管/PPESK复合材料的导电性和微波吸收性之间存在很好的线性相关性,而这种线性相关性并没有出现在镀镍碳纳米管/PPESK复合材料中。当镀镍碳纳米管加入到PPESK基体中,复合材料的拉伸性能和高温稳定性能被进一步提高,这有利于制备综合性能优异的微波吸收复合材料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 碳纳米管的概述
• 1.1.1 碳纳米管的结构与性能
• 1.1.2 碳纳米管的制备
• 1.1.3 碳纳米管的纯化
• 1.1.4 碳纳米管的改性
• 1.1.5 碳纳米管的应用
• 1.2 碳纳米管/聚合物基复合材料
• 1.2.1 碳纳米管/聚合物基复合材料的制备方法
• 1.2.2 影响材料性能的关键因素
• 1.2.3 碳纳米管/聚合物基复合材料的研究进展
• 1.3 含二氮杂萘酮联苯结构高性能聚合物的研究进展
• 1.3.1 含二氮杂萘酮联苯结构的聚芳醚
• 1.3.2 含二氮杂萘酮联苯结构的聚芳酰胺
• 1.3.3 含二氮杂萘酮结构的高性能聚合物共混改性
• 1.3.4 含二氮杂萘酮结构的高性能聚合物复合材料
• 1.4 选题依据及研究内容
• 2 碳纳米管/含二氮杂萘酮联苯结构聚芳醚砜酮复合材料
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 复合材料的制备
• 2.1.3 性能测试
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 碳纳米管的纯化处理
• 2.2.2 干粉混合法复合材料的力学性能
• 2.2.3 干粉混合法复合材料的导电性能
• 2.2.4 溶液共混法复合材料的力学性能
• 2.2.5 溶液共混法复合材料的导电性能
• 2.2.6 溶液共混法复合材料的断面形貌
• 2.2.7 原位法复合材料的结构
• 2.2.8 原位法复合材料力学性能
• 2.2.9 原位法复合材料导电性能
• 2.2.10 原位法复合材料的断面形貌
• 2.2.11 制备方法对材料性能的影响
• 2.3 本章结论
• 3 碳纳米管/含二氮杂萘酮联苯结构聚芳酰胺复合材料
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 实验原料
• 3.1.2 复合材料的制备
• 3.1.3 性能测试
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 溶液共混法复合材料的力学性能
• 3.2.2 溶液共混法复合材料的导电性能
• 3.2.3 溶液共混法复合材料的断面形貌
• 3.2.4 原位法复合材料的结构
• 3.2.5 原位复合机理
• 3.2.6 原位法复合材料力学性能
• 3.2.7 原位法复合材料导电性能
• 3.2.8 原位法复合材料的断面形貌
• 3.2.9 制备方法对材料性能的影响
• 3.3 本章结论
• 4 官能化碳纳米管/含二氮杂萘酮联苯结构聚合物复合材料
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 实验原料
• 4.1.2 碳纳米管的有机官能化改性
• 4.1.3 复合材料的制备
• 4.1.4 性能测试
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 含二氮杂萘酮联苯结构二胺官能化碳管的结构表征
• 4.2.2 官能化碳纳米管/PPESK复合材料的力学性能
• 4.2.3 官能化碳纳米管/PPESK复合材料的导电性能
• 4.2.4 官能化碳纳米管/PPESK复合材料的耐热性能
• 4.2.5 官能化碳纳米管/PPEA复合材料的力学性能
• 4.2.6 官能化碳纳米管/PPEA复合材料的导电性能
• 4.2.7 官能化碳纳米管/PPEA复合材料的耐热性能
• 4.3 本章结论
• 5 碳纳米管/含二氮杂萘酮联苯结构聚芳醚砜酮微波吸收复合材料
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 实验原料
• 5.1.2 碳纳米管的镀镍处理
• 5.1.3 微波吸收复合材料的制备
• 5.1.4 性能测试
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 工艺对碳纳米管镀镍的影响
• 5.2.2 碳纳米管/PPESK、镀镍碳纳米管/PPESK导电性能
• 5.2.3 碳纳米管/PPESK、镀镍碳纳米管/PPESK吸波性能
• 5.2.4 复合材料导电性能与吸波性能的关系
• 5.2.5 镀镍碳管/PPESK复合材料力学性能
• 5.2.6 镀镍碳管/PPESK复合材料耐热性能
• 5.2.7 碳黑与碳纳米管的吸波性能协同作用
• 5.2.8 两层吸波材料的性能研究
• 5.2.9 吸波性能总结
• 5.3 本章结论
• 结论
• 参考文献
• 附录 论文中主要缩写符号的意义
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢