大学生挑战杯课外学术科技作品竞赛获奖作品-陶瓷基吸波复合材料.doc

新型碳纳米管陶瓷基吸波复合材料性能试验研究报告序号： 编码： 第三届“挑战杯”安徽理工大学大学生课外学术科技作品竞赛作 品 申 报 书作品名称： 陶瓷基吸波复合材料 院部名称： 材料科学与工程学院 申报者姓名（集体名称）： “一路高飞”团队 类别：自然科学类学术论文 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文 科技发明制作a类 科技发明制作b类序号： 编码： 第三届“挑战杯”安徽理工大学大学生课外学术科技作品竞赛作 品 申 报 书作品名称： 陶瓷基吸波复合材料 院部名称： 材料科学与工程学院 申报者姓名（集体名称）： “一路高飞”团队 类别：自然科学类学术论文 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文 科技发明制作a类 科技发明制作b类 说 明1申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。2申报者在填写申报作品情况时只需根据个人项目或集体项目填写a1或a2表，根据作品类别（自然科学类学术论文、哲学社会科学类社会调查报告和学术论文、科技发明制作）分别填写b1、b2或b3表。所有申报者可根据情况填写c表。3表内项目填写时一律用钢笔或打印，字迹要端正、清楚，此申报书可复制。4序号、编码由校第三届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛组委会填写。5学术论文、社会调查报告及所附的有关材料必须是中文（若是外文，请附中文本），请以4号楷体打印在a4纸上，附于申报书后，字数在8000字左右（文章版面尺寸14.522cm）。6作品申报书须按要求由单位统一报送。7其他参赛事宜请向校团委咨询。8. 报送地址：校团委办公室联 系 人：江山 孙玮联系电话：6632127e-mail:tuanweiaust. a2申报者情况（集体项目）说明：1必须由申报者本人按要求填写；2申报者代表必须是作者中学历最高者，其余作者按学历高低排列；3本表中的学籍管理部门签章视为申报者情况的确认。申报者代表情况姓名性别男出生年月1987年2月学院材料科学与工程学院专业、年级无机非金属材料专业2006级学历大学本科在读学制4年入学时间2006年9月作品名称新型碳纳米管陶瓷基吸波复合材料（简称陶瓷基吸波复合材料）通讯地址安徽理工大学1信箱邮政编码232001办公电话常住地通讯地址安徽理工大学高层公寓11寝室邮政编码232001住宅电话其他作者情况姓 名性别年龄学 历所在单位男22本科在读安徽理工大学女20本科在读安徽理工大学女19本科在读安徽理工大学男20本科在读安徽理工大学资格认定学校学籍管理部门意见以上作者是否为2009年7月1日前正式注册在校的全日制非成人教育、非在职的高等学校中国籍专科生、本科生、硕士研究生或博士研究生。是否 （部门签章）2009年3月12日 院部负责人或导师意见本作品是否为课外学术科技或社会实践活动成果是否负责人签名：2009年3月12日b3申报作品情况（科技发明制作）说明：1必须由申报者本人填写；2本部分中的科研管理部门签章视为对申报者所填内容的确认； 3本表必须附有研究报告，并提供图表、曲线、试验数据、 原理结构图、外观图（照片）,也可附鉴定证书和应用证书； 4作品分类请按照作品发明点或创新点所在类别填报。作品全称新型碳纳米管陶瓷基吸波复合材料（简称陶瓷基吸波复合材料）作品分类（e）a机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控 制、工程、交通、建筑等） b信息技术（包括计算机、电信、通讯、电子等） c数理（包括数学、物理、地球与空间科学等） d生命科学（包括生物、农学、药学、医学、健 康、卫生、食品等） e能源化工（包括能源、材料、石油、化学、化 工、生态、环保等）作品设计、发明的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标作品设计、发明的目的：研究cnts与莫来石陶瓷复合的制备工艺和复合材料的微波吸收性能。基本思路：选定基质和吸收剂制定试验方案烧结获得复合块体材料研究其组分对材料性能的影响研究烧结工艺对材料性能的影响探讨其工作机制总结经验找出规律。创新点：实现莫来石陶瓷基复相材料的电磁波吸收性能，可以形成新的吸波材料体系，对推动我国吸波材料的实际应用具有较大的作用，具有重要的科学研究价值和实际应用意义。技术关键：碳纳米管的分散性研究；莫来石前驱粉的制备方法研究；复合粉体的制备工艺及复合机理研究；采用热压烧结和sps烧结方法，探讨不同的烧结条件对材料的结构及性能的影响；复合材料的烧结工艺基显微结构。主要技术指标：cnt/莫来石复合材料的力学、热学、电学、吸波性能；复合材料性能与cnts的加入量、处理方法、复合材料的烧结工艺的关系。作品的科学性先进性（必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料）作品的科学性先进性：目前cnts 复合材料工艺上的普遍问题是cnts 本身的纯度不高、存在缺陷，在基体中分散不均匀，以及在高温物理化学处理过程中对碳纳米管的损伤等问题。因此，选择cnts 为吸收剂，克服cnts 易团聚的缺点，提高其分散性，增强其与基体间的界面结合力，是制备碳纳米管复合材料的重要前提条件；使碳纳米管与基体颗粒有效结合并在基体中均匀分散，同时保持碳纳米管优异的力学、电学和电磁波吸收性能，富有挑战性和实际应用价值。实质性技术特点、技术性分析说明和参考文献资料请参阅研究报告。作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果2007年8月15日，新型材料碳纳米管/莫来石陶 瓷基复相材料及其制备方法获得了国家专利，专利号为：zl200510023585.x。作品所处阶 段（b）a实验室阶段 b中试阶段 c生产阶段d （自填）技术转让方式以合同方式实现专利技术转让作品可展示的形 式 实物、产品 模型 图纸 磁盘 现场演示 图片 录像 样品使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测 由于当代对于电磁波的应用正在迅猛发展，其中以军事应用为主要方面，也是发展最为超前的一方面，而以吸波材料为其中之最，我国军方的吸波材料标准是大于等于10分贝，美国军方为15分贝，而该材料可吸收35分贝电磁波，远远超出当代军事要求，所以在军事领域有广泛的应用前景。 而另一方面，电磁波再给人们带来便利的同时也逐渐成为一种危害，电磁波防护成为该材料在民用领域应用的重要方面，例如在特殊行业的工作防护服，日常服装加入该材料后即可在保证美观的同时，做到对穿着者起到良好的防辐射作用。专利申报情况提出专利申报 申报号 200510023585.x 申报日期 2005年1月26日已获专利权批准 批准号 zl200510023585.x 批准日期2007年8月15日 未提出专利申请科研管理部门签 章 年 月 日c.当前国内外同类课题研究水平概述 说明：1.申报者可根据作品类别和情况填写； 2.填写此栏有助于评审。微波是一种频率极高的电磁波，又称超高频电磁波。通常将频率大约从300mhz-300ghz 的电磁波划为微波波段，其波长范围大约从1m-1mm 左右，包括分米波、厘米波、毫米波、亚毫米波。微波的基本特点是：频率高、波长短、穿透能力强，其技术在军事、通信、科研等多个领域里有着极广泛的应用。随着科学技术和电子工业的发展，电磁波辐射成为一种新的社会公害，不仅影响各种电子设备的正常运转，而且对人体健康也有危害，迫切需要进行电磁屏蔽。另外，现代高科技战争中电子对抗技术和隐身技术的发展，使得吸波材料的应用更加广泛，以美国f-117 隐形战斗机和b-2 隐形战斗机的出现为代表。由于电磁屏蔽与吸波材料在社会生活和国防建设中的重要作用，因而吸波材料的研究开发成为国内外日益关注的重要课题。吸波材料按其应用形式分为涂覆型和结构型两类，涂覆型吸波材料施工方便，成本低，适用于复杂外形，缺点是耐候性差，粘结性差，不能经受高温等苛刻条件；结构吸波材料具有承载和减小雷达反射截面的双重功能，既能减轻结构重量，又能提高有效载荷，因而成为吸波材料研究的重点，材料中的吸波剂纤维不仅决定着复合材料的力学性能，而且对吸波性能也有重要影响。因此吸波材料设计的关键因素是吸波剂的选择，要求质轻并具有相当大的吸收率和宽广的吸收频带。1991 年日本nec 的饭岛发现了准一维碳原子晶体结构碳纳米管cnts，具有优异的力学和电学性能，有望成为高级复合材料理想的增强体，其应用已涉及到纳米电子器件，催化剂载体，电极材料和储氢材料等方面。纳米碳管复合材料的研究已成为了一个极为重要的领域，目前已在理论和实践上取得了多方面的研究成果。特别的是，cnts 还拥有特殊的螺旋结构和手征性，这将导致特殊的电磁效应，有可能设计出既吸收厘米波又吸收毫米波的雷达波吸收材料。目前见到关于cnts 及其复合材料的微波吸收特性研究的报导有清华大学材料系，研究了cnts 的聚酯基复合材料的电磁波吸收性能，发现该复合材料在宽为32ghz 的吸收频带都有明显的吸收。关于碳纳米管的吸波性能，国内外都已有少量的探索性研究。国内一般采用在碳纳米管表面镀镍的方法，改善碳纳米管与基体结合性差的缺点，同时也有利于材料的吸波性能。北京大学沈曾民、浙江大学陈小华、中科院金属研究所杜金红等均开展了碳纳米管表面镀镍的研究，由于碳纳米管表面曲率大，以及高度石墨化结构，使得表面活性很低，很难获得连续致密的镀层，他们通过加强碳纳米管表面的氧化、敏化和活化处理，调整传统的化学镀镍溶液配方和反应条件，使反应在尽可能低的速率下进行，在碳纳米管表面实现了金属镍的涂覆。将镀镍碳纳米管与环氧树脂混合物涂覆于2mm 厚的铝板上制成了吸波涂层，在2-18ghz 范围内测试其吸波性能，结果表明镀镍碳纳米管最大反射衰减达12db，认为含碳纳米管吸波涂层的吸波机理主要是：碳纳米管作为偶极子在电磁场的作用下产生耗散电流，在周围基体作用下，耗散电流被衰减，电磁波能量转化为其它形式的能量，主要为热能。北京化工大学的杨杰用过硫酸胺作氧化剂，在碳纳米管上原位生成并包覆了聚苯胺，包覆层厚度为1020nm，碳纳米管经包覆后表面能增大，在水中及固体状态时分散性明显得到改善，且微波电磁吸收系数的实部、虚部及电磁损耗因子明显提高，表明聚苯胺包覆后的碳纳米管有望成为电磁波屏蔽材料。清华大学的曹茂盛等研究了添加不同质量分数cnts 的聚酯基复合材料的电磁波吸收性能，初步分析了cnts 的螺旋结构和手性导致840ghz 波段良好的吸收，随着材料厚度的增加，吸收峰向低频移动，其中厚度为1.4mm0.05mm 的复合材料在25ghz 有较强的吸收峰，发现碳纳米管良好的吸波特性，意味着可以设计出既吸收厘米波又吸收毫米波的雷达波吸收材料。最近清华大学的罗国华等研究了单壁、多壁碳纳米管在2-18ghz 范围内的电磁波吸收性能，通过测定不同结构碳纳米管粉体的介电常数和磁导率，得到损耗因子及衰减常数大小顺序为：阵列状多壁碳纳米管原生聚团状多壁碳纳米管纯化聚团状多壁碳纳米管原生单壁碳纳米管纯化后单壁碳纳米管，并发现碳纳米管聚合物复合材料具有优良的电磁吸波性能。纳米管复合材料中关于金属基体，聚合物复合材料的研究较多，用碳纳米管增强陶瓷材料，由于工艺上的困难，国内外的初步探索一般集中在材料制备、力学和导电性能的研究上，还没有陶瓷基吸波复合材料以及微波吸收性能的相关报导。为此作者考虑了以碳纳米管作为吸收剂，将cnt 充分分散于陶瓷粉体中，并烧结成平板试样测试其力学及吸波性能。当代先进的吸波材料以军事战机上的吸波涂层为最先进水平的体现，然而据相关报道，我国的军用吸波材料涂层的要求标准仅为大于等于10分贝，美国先进的军事科技也只是使其标准提高到15分贝，不能满足当代的军事要求。陶瓷材料具有在苛刻条件下金属和聚合物都无法比拟的优异性能，例如莫来石，氧化铝，碳化物，氮化物等先进结构陶瓷具有一系列特性，如耐高温、高强度、耐腐蚀、耐磨损、低膨胀系数、质轻，介电常数低，体积电阻率高，透波性好；cnt 与陶瓷基体具有良好的物理化学相容性，可望该复合材料实现介电性、导电性和微波吸收性能的调变。目前还没有见到过关于碳纳米管/莫来石陶瓷基复合材料的学术报道，仅在美国专利us6420293b1(2002)中见到过以纳米晶莫来石为基体的碳纳米管复合材料的设想，但文中没有对于具体制备方法和材料功能性的介绍。本课题旨在研究cnts 与莫来石陶瓷复合的制备工艺和复合材料的微波吸收性能。目前cnts 复合材料工艺上的普遍问题是cnts 本身的纯度不高、存在缺陷，在基体中分散不均匀，以及在高温物理化学处理过程中对碳纳米管的损伤等问题。因此，选择cnts 为吸收剂，克服cnts 易团聚的缺点，提高其分散性，增强其与基体间的界面结合力，是制备碳纳米管复合材料的重要前提条件；使碳纳米管与基体颗粒有效结合并在基体中均匀分散，同时保持碳纳米管优异的力学、电学和电磁波吸收性能，富有挑战性和实际应用价值。通过该项目的研究，实现莫来石陶瓷基复相材料的电磁波吸收性能，可以形成新的吸波材料体系，对推动我国吸波材料的实际应用具有较大的作用，具有重要的科学研究价值和实际应用意义。d.推荐者情况及对作品的说明说明：1由推荐者本人填写； 2推荐者必须具有高级专业技术职称，并是与申报作品 相同或相关领域的专家学者或专业技术人员（教研组 集体推荐亦可）； 3推荐者填写此部分，即视为同意推荐； 4推荐者所在单位签章仅被视为对推荐者身份的确认。推荐者情况姓 名性别男年龄53职称教授工作单位安徽理工大学材料科学与工程学院通讯地址安徽理工大学材料科学与工程学院邮政编码232001单位电话住宅电话推荐者所在单位签章 同意推荐 （签章） 年 月 日请对申报者申报情况的真实性作出阐述申报者为我院本科在校生，申请情况真实，曾多次参加过相关试验，具有一定的实验动手能力，和求实、科研创新科学精神，特此推荐！ 请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您的评价随着科技和电子工业的发展，电磁波辐射作为一种新的社会公害，现代高科技战争的发展，使得吸波材料的应用更加广泛。该作品选择的cnts 为吸收剂，克服了传统上的缺点，是制备碳纳米管复合材料的重要前提条件；同时保持碳纳米管优异的力学、电学和电磁波吸收性能。实现莫来石陶瓷基复相材料的电磁波吸收性能，可形成新的吸波材料体系，对推动我国吸波材料的实际应用具有较大的作用，具有重要的科学研究价值和实际应用意义。其它说明推荐者情况姓 名性别男年龄49职称教授工作单位安徽理工大学材料科学与工程学院通讯地址安徽理工大学材料科学与工程学院邮政编码232001单位电话住宅电话推荐者所在单位签章 同意推荐 （签章） 年 月 日请对申报者申报情况的真实性作出阐述申报者为我院本科在校生，申请情况真实，2007年8月15日，新型材料碳纳米管/莫来石陶瓷基复相材料及其制备方法获得了国家专利，专利号为：zl200510023585.x，故特此推荐。请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您的评价随着科学技术和电子工业的发展，电磁波辐射成为一种新的社会公害，影响我们的生产与生活，同时，现代高科技战争的发展，使得吸波材料的应用更加广泛。 此次我们选择的cnts 为吸收剂，克服cnts 易团聚的缺点，提高其分散性，增强其与基体间的界面结合力，是制备碳纳米管复合材料的重要前提条件；同时保持碳纳米管优异的力学、电学和电磁波吸收性能，富有挑战性和实际应用价值。实现莫来石陶瓷基复相材料的电磁波吸收性能，可形成新的吸波材料体系，对推动我国吸波材料的实际应用具有较大的作用，具有重要的科学研究价值和实际应用意义。其它说明学院组织协调机构确认并盖章 年 月 日 学院评审委员会初评意见评委签名： 年 月 日校团委 确认盖章 （盖章） 年 月 日e校组织委员会资格和形式审查意见组委会资格审查意见 审查人（签名） 年 月 日组委会形式审查意见 审查人（签名） 年 月 日组委会审查结果合格 不合格 负责人（签名） 年 月 日f参赛作品打印处作品全程：新型碳纳米管陶瓷基吸波复合材料简称陶瓷基吸波复合材料1. 碳纳米管及其复合材料1.1 碳纳米管的结构在二十世纪八十年代以来，发现了一些与我们以前所知的金刚石和石墨结构不同，具有纳米尺寸的新型碳材料，如 ，碳纳米管等，如图1-1 所示。新型的碳纳米材料具有一些特殊的物理、化学性质，在新型功能材料和电子器件方面存在巨大的应用前景，因而人们对它们产生了极大的研究兴趣，并已成为当前材料科学、凝聚态物理研究的前沿热点。1991 年，日本筑波nec 实验室的电镜专家饭岛澄男（s.iijima）在用真空电弧蒸发石墨电极制备富勒烯的试验中发现了碳纳米管1，碳纳米管作为新型的一维纳米材料，应用前景非常广阔，越来越受到国内外学者的关注。碳纳米管由一层、双层或多层圆柱状石墨片组成，因此有单壁纳米碳管（swnt）和多壁纳米碳管（mwnt）之分，层与层之间相距0.34nm，此距离相当于石墨中碳原子层之间的间隙或碳纳米球的半径。碳纳米管直径在几纳米到几十纳米之间，长度可达数微米。碳纳米管由于其结构的特殊性而具有极其优异的性能。许多报道说碳纳米管的力学性能超出了任何以前的材料。碳纳米管具有极高的弹性模量，超过1tpa，质量为同体积钢的1/6，强度为钢的10100 倍，在真空中2800c仍能稳定存在，热导率为金刚石的两倍，电流传输能力为铜导线的1000 倍，碳纳米管具有独特的电子能带结构，呈现金属导电性或半导体特性，是理想的一维量子导线2，并可用做场效应三极管、场发射电子源及分子开关，扫描隧道显微镜（stm）的针尖等。此外，碳纳米管还具有储氢能力、吸附能力和微波吸收能力，用作储氢材料、催化剂载体和吸波材料极具潜力3 4。如上所述，理论上可将碳纳米管看成是由石墨平面卷曲而成。不同的卷曲方式，得到的碳纳米管的结构就会不同5。迄今有关cnts 结构的表征研究，主要是利用tem、hrtem、sem 等技术对其结构进行观测，利用多种谱学技术（xrd、xps、raman、tpo、tpd、bet 等）从不同角度对cnts 进行协同表征仍少见报道。碳纳米管的结构完整性决定着其力学性能及其它特性。t.w.odom6等在hrtem 下对swnt 原子结构进行了研究，提出了手性矢量的概念，用（n，m）表征swnt 螺旋结构时，可以通过测量其螺旋角和直径确定其螺旋结构。在石墨平面中，碳原子sp2 杂化后可形成三个共价键，使碳原子结合在一起形成六角网格状结构的碳原子平面，如图1-2 所示。和为石墨平面的单胞基矢，选石墨平面中任一碳原子o 作原点，再选另一个碳原子a，从o 到a 的矢量为 (1)式中n 和m 为整数。将石墨平面卷曲成一个圆柱，在卷曲过程中使矢量 末端的碳原子a 与原点上的碳原子o 重合，然后在石墨圆柱的两端罩上碳原子半球面，这样就形成了一个封闭的碳纳米管。这样形成的碳纳米管可用（n，m）这对整数来描写。因为这对整数一经确定，碳纳米管的结构就完全确定。所以，把这对整数称为碳纳米管的指数。碳纳米管的所有参数都可由（n，m）指数确定。碳纳米管的圆周长： (2)式中的a 是石墨平面单胞基矢或的长度，a=0.246nm。碳纳米管的直径dr由下式确定： (3)矢量称为手性矢量（chiral vector）。石墨平面单胞基矢（或）方向称为锯齿方向（zigzag direction）。手性矢量与锯齿方向之间的夹角称为手性角（chiralangel），它与（n，m）指数的关系如下： (4)在描写碳纳米管时，如果0 30，即，将不失其普遍性。当时，手性角=30，此时的碳纳米管称为扶手椅管（armchair tubule），因为在此类碳纳米管中，碳原子在管子圆周上呈扶手状分布；当0时，手性角=0，此类碳纳米管称为锯齿管（zigzag tubule）,因为此时碳原子在管子圆周上的分布呈锯齿状。0 700c、加热时间 5h ，而且由于杂质和碳管与空气发生反应的选择性较差，空气氧化失重达99%，co2 氧化法会严重破坏多壁碳纳米管的管壁，最后只剩下单壁的碳纳米管。（2）液相氧化法为了克服气相氧化法的氧化时间难以掌握和氧化过程中氧气的局部不均匀性以及产率低的不足，hiura和ebbsen等11研究了液相氧化法，其方法是将碳纳米管粗产品分散于具有较强氧化性的浓酸（h2so4或hno3或h2so4 +hno3或h2so4+kmno4）中回流，氧化除去碳纳米管中的副产物。其中用h2so4 +hno3的氧化提纯效果最好。与气相氧化法相比，液相氧化作用均匀，纯化后所得的碳纳米管为纯化前粗产品的40%。zhao12 等用浓h2so4 和质量分数为30 %的h2o2混合液氧化碳纳米管,将氧化后的碳纳米管分散于不同ph 值的缓冲溶液中,然后测量其吸收光谱，发现当ph 3 时,碳纳米管的溶液能够稳定存在12h；而当ph3时，溶液不稳定,碳纳米管易发生聚集。实验证明溶液中h+ 或oh- 浓度的变化,引起羧基化碳纳米管电子结构改变，从而影响其吸收光谱。综上所述，研究者们正在通过各种途径来实现碳纳米管的纯化，但是各种提纯途径都有其局限性，目前还没有一种损失小、纯度高的提纯方法。氧化法处理改变了碳纳米管的表面结构，使碳纳米管表面产生了许多酸性功能基（-coo、c=o、-coh），可以提高碳纳米管在溶液中的分散性，增强碳纳米管与基体的结合力，但是处理后的碳纳米管杨氏模量会大大降低，使制得的复合材料力学性能也有所下降13。1.3.2 分散剂表面修饰（1） 共价键化修饰碳纳米管经强酸氧化后，端帽打开，而端帽和管壁侧面的-cooh官能团还能进一步发生反应，chen等14通过胺基和羧基之间的缩合反应，将长链烷基胺固定在碳纳米管表面，使得碳管能够溶解在四氢呋喃（thf）或二氯苯中，溶解度约0.5mg/ml。smally等15利用氯化亚砜将羧基转换成酰氯，然后与11-巯基十一胺反应，得到了含有硫醇基团的“富勒烯管”。在此基础上，haddon等16制备了长度为几微米的可溶性swnt衍生物，溶解之后的碳纳米管分散性良好。最近yamaguchi17将酸处理过的碳纳米管和聚醚酰亚胺（pei）通过胺化反应制备出侧壁具有pei分子吸附的碳纳米管，表面的长链pei分子使其可溶于水、甲醇、二甲亚砜等强极性溶剂中。（2） 非共价键化修饰利用有机物与碳纳米管侧壁的-非共价键结合可以对碳纳米管进行修饰，并不损伤碳纳米管的结构。fu 等18 以氨丙基三乙氧基硅烷(aminopropyltriethoxysilane) 为媒介在碳纳米管表面生长sio2 ，其重要性在于在不破坏碳纳米管电子结构特性的情况下,为碳纳米管包裹一层sio2，使碳纳米管表面能够固定特定的生物分子。connell 等19 先将碳纳米管分散于质量分数为1%的十二烷基硫酸钠(sds) 水溶液中，向其胶束溶液中添加足够的聚乙烯吡咯啉(pvp)，在50c放置12 h，然后用聚碳酸酯膜(1m) 过滤掉不溶物和石墨碳，得到经pvp 包裹的碳纳米管，溶解度可达到1.4g/l。dalton20 利用半共轭(semi-conjugated) 聚苯乙烯(ppv) 包裹单壁碳纳米管，借助电子显微镜和拉曼(raman) 散射光谱表征了分散特征，结果显示纳米管聚集束被破坏，以单个碳纳米管形式分散于聚合物的基质中。而且该聚合物仅与一定直径或一定直径范围的碳纳米管优先作用。star等21 则用可溶性的直链淀粉包结碳纳米管，经包结的碳纳米管在水中溶解度达到3 g/l。gao等22 通过分子间范德华相互作用力使-环糊精(-cd) 包裹于碳纳米管表面，为碳纳米管的水溶性研究开拓了新途径。杨杰等23 则将聚苯胺原位包覆在碳纳米管表面，使包覆后的碳纳米管在水中和固体状态下分散性明显改善，而且聚苯胺包覆的碳纳米管有望成为一种电磁波屏蔽材料。1.4 碳纳米管的特性特殊的一维纳米结构赋予碳纳米管如下特征：（1） 高的长径比和极高的比表面积；（2） 极高的力学性能，抗拉强度60gpa 是钢的10100 倍，杨氏模量1tpa，超出了任何其它材料；（3） 高导电性，电导率一般为，具有高度结晶性的碳纳米管还具有弹道式传输特性，电流传输能力为铜导线的1000 倍；共价键连接，作为导体没有电迁移或原子扩散，因此碳纳米管能够通过高电流密度 ； 单壁碳纳米管具有独特的电子能带结构，可以是金属性或半导体性，可望用于场效应三极管、场发射电子源及分子开关，扫描隧道显微镜（stm）的针尖等；（4） 高热导率1750-5800 w/mk，为金刚石的两倍；（5） 稳定性好，不受强酸和强碱腐蚀，在真空中2800c仍能稳定存在；（6） 具有各种特殊的物理、化学功能性，通过管内填充或管外修饰，用作储氢材料、催化剂载体和吸波材料等极具潜力。1.4.1 优异的力学性能（1）单壁碳纳米管的力学性能在目前的纳米结构产物中，单壁碳纳米管是人工制备的、理想的、分子级的一维纳米材料。关于单壁碳纳米管力学性能的理论研究很多。overney 等24研究了由100、200 和400 个碳原子组成的管的低频振动形式和结构刚性，认为碳纳米管的弯曲刚性超出其它任何材料。iijima 等25用分子动力学模型研究了碳纳米管在压力下的反应，模拟了单壁和多壁碳管在弯曲时的变形，实验和理论结果表明，碳纳米管具有极好的挠性，在弯曲超过110时，仍能完全恢复原来的形状。ru 等26发现单壁碳纳米管的实际弯曲刚性比弹性-连续壳层理论模型计算值低得多，提出用单根碳纳米管的有效弯曲强度作为材料参数，这样弹性-连续壳层公式就可以用来计算单壁碳管的性能，并与分子动力学模型相一致。vaccarini等27研究了碳纳米管的结构和手性与拉伸、弯曲和扭转弹性的关系，发现手性对碳纳米管的拉伸模量只有很小的影响，而手性管根据左旋和右旋的不同而具有不对称的扭转行为，扶手椅形和锯齿形管则不显示此不对称行为。lu28对单壁碳纳米管的弹性进行了详细的研究，采用经验式的晶格动力学模型，在同一碳原子层中原子间的相互作用近似地用原子对的均匀势差的总和来表示，碳纳米管层的局部结构可看作是由一个石墨层卷成的螺旋形表面，他认为管的尺寸和手性对碳纳米管的弹性有很大的影响，预测了碳纳米管的youngs 模量（1tpa），剪切模量（0.45tpa），体积模量（0.74tpa），基本与金刚石相当。hernandez 等29作了类似的计算，youngs 模量（1.24tpa），而且发现弹性模量与管径和结构有很大关系。除了弹性行为，碳纳米管的非弹性行为也受到了相当的关注。分子动力学模型显示碳纳米管在受到大的变形时，可逆地转变为不同形态，每一种形状变化与能量的突然释放和应力/应变曲线上的奇点相对应。这些变形可用连续壳层理论来解释，他们用适当的参数描述了碳纳米管在超出弹性范畴时的行为，还对单壁和多壁碳纳米管在不同温度和不同手性的情况下进行了分子动力学模拟，认为碳纳米管具有极大的断裂应变（约30%40%），并且随着温度的降低而减小。在高应力下，这种塑性流动与位错运动相对应，沿着碳管壁内部的螺旋路径前进，导致一步一步地缩颈，形成新的对称型，结果使碳纳米管的机械性能和电性能都发生改变。（2）多壁碳纳米管的力学性能多壁碳纳米管是由同心的单壁碳纳米管以范德华力结合而成的，其多层结构使其性能的研究复杂化。ruoff和lorents30在已知的石墨弹性性能的基础上推导了理想的mwnt的拉伸和弯曲刚性常数，认为碳纳米管不像传统的碳纤维和石墨那样具有很大的各向异性热膨胀，而是各向同性的；碳管的导热性是高度各向异性的，轴向热导率高于任何其它材料。lu26也用经验的晶格动力学模型计算了多壁碳管的弹性，发现弹性与手性、管径和层数等参数相关，且当管半径大于1nm时，所有碳管的弹性相同，层间的范德华力对拉伸和剪切刚度只有很小的贡献。为了更好的了解碳纳米管的力学性能，许多研究者试图用直接测试的手段来表征。treacy 等31在电子显微镜下，通过测试mwnt 的本征热振幅，首次对单根碳纳米管弹性模量进行研究，得到碳管的平均弹性模量为1.8tpa，最高可达3.4tpa。wong 等32则用afm 探针对mwnt 的弹性模量进行了测量，平均值为1.2tpa，平均弯曲强度为14.2 8 gpa。gao等33用原位tem 测量了热解乙炔制备的有序碳纳米管阵列中单根碳纳米管的力学强度，得到多壁碳纳米管的弹性模量在2035 gpa范围内，此结果与预测值0.43.7 tpa有很大的差距，这是因为碳纳米管在结构上存在点缺陷和体缺陷，从而导致了其力学性能的降低。1.4.2 电性能虽然单壁碳纳米管的结构与单层石墨片（半导体，0 能隙）相似，碳管却可能是导体或半导体，这与纳米管的手性和直径有关3435。碳纳米管手性的微小变化可以使碳管具有金属或半导体特性：所有的扶手椅型碳管（n=m）都是金属性的，而对于其它的碳纳米管，当n-m=3k（k 为非零整数）时，碳管是金属性的，n-m3k的碳管是半导体性的，能带宽度为0.5ev。带宽与直径也有密切关系，随着碳管直径的增加，带宽降低。理想的无缺陷多壁碳管的电性能与理想的单壁碳管相似，这是因为多壁碳管层间的耦合力很弱。由于单壁碳管中的电子结构接近一维结构，电子在单壁和多壁碳管中沿轴向呈现弹道式传输（无散射），所以碳纳米管可以用来负载高电流而不发热。碳纳米管具有超导特性，morpurgo36等测量与nb 相连的单壁碳纳米管电导时，发现了超导近似效应，即在出现超导效应附近其电学性质发生了改变；kociak37测量了与低电阻、非超导金属相连的单壁纳米管（直径1.4nm）管束，观察到当温度低于0.55k 时其电阻下降两个数量级；tang 等38在20k 下，测量在沸石晶体中生长的直径为0.4nm 单壁碳纳米管的性质时，发现其具有超导特性。纳米管的分布方向和接触位置对电性能有极大的影响39，在接触区，纳米管的几何及手性结构影响接触电阻。对于交叉接触的纳米管，当两个管准确叠合并且接触区准确配位时，接触电阻较低，而接触电阻极易受外界应力或压力的影响40。纳米管自身的缺陷与外界条件下的扭折和变形对其导电性也有很大的影响。国际上三位相关科学家根据自己的实验结果推论完整无缺陷的碳纳米管应该具有更低的电阻率。1.4.3 热性能碳材料中的金刚石和石墨具有优异的热性能，其热导率是目前材料中最高的，这是因为材料中的c-c 键以很强的sp3 杂化形式结合。碳纳米管与石墨具有相似的结构，而且c-c 键以更强的sp2 杂化形式结合，其小的径向尺寸也有效降低了声子的维数，更有利于声子的传导，因此，碳纳米管被公认为是一种极好的一维导热材料。有报导一些计算模拟结果和对宏观块体材料测试的性能，已经证明碳纳米管的确具有很高的热导率。berger 等41计算出（10，10）型碳纳米管的热导率高达6600w/mk，并认为碳纳米管具有高热导率的原因是由于具有很长的声子平均自由程。hone 等42测试了8-350k 温度范围内单壁碳纳米管毡的热导率。室温下测得的热导率为0.7w/mk，根据块体材料与单根碳纳米管热导率的关系，估算出单根碳纳米管的热导率约为1800-6000 w/mk，并确认声子传导是其导热的主要机理，声子的平均自由程大约为100nm，大于碳纳米管的直径。1.4.4 电磁波吸收性能由于碳纳米管独特的一维纳米管状结构，其超强的力学性能、电性能和热性能使其在很多领域都有潜在的应用，如用于材料的增强、催化剂载体、一维量子导线、微传感器、扫描隧道与原子力显微镜的探头等，另外，碳纳米管的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应，使其成为一种非常具有潜力的电磁波吸收剂，因此碳纳米管复合材料有可能兼具吸波和承载的功能，在微波吸收领域有巨大的应用前景。关于碳纳米管的吸波性能，国内外都已有少量的探索性研究。国内一般采用在碳纳米管表面镀镍的方法，改善碳纳米管与基体结合性差的缺点，同时也有利于材料的吸波性能。北京大学沈曾民43、浙江大学陈小华44、中科院金属研究所杜金红45等均开展了碳纳米管表面镀镍的研究，由于碳纳米管表面曲率大，以及高度石墨化结构，使得表面活性很低，很难获得连续致密的镀层，他们通过加强碳纳米管表面的氧化、敏化和活化处理，调整传统的化学镀镍溶液配方和反应条件，使反应在尽可能低的速率下进行，在碳纳米管表面实现了金属镍的涂覆。将镀镍碳纳米管与环氧树脂混合物涂覆于2mm厚的铝板上制成了吸波涂层，在2-18ghz范围内测试其吸波性能，结果表明镀镍碳纳米管最大反射衰减达12db，认为含碳纳米管吸波涂层的吸波机理主要是：碳纳米管作为偶极子在电磁场的作用下产生耗散电流，在周围基体作用下，耗散电流被衰减，电磁波能量转化为其它形式的能量，主要为热能。1.1.5 碳纳米管复合材料研究进展自从iijima发现碳纳米管以来，对碳纳米管及其应用的研究取得了很大进展，其中关于cnts复合材料的研究是一个重要领域。由于cnts具有非常好的力学性能，而且具有纳米级尺寸，因此，可以用cnts作为增强相，研究纳米复合材料，提高基体的力学性能，或者改善基体的电学、热学、磁学及光学等特性。 cnts/金属复合材料碳纳米管复合材料中最早研究的就是金属基体，如 fe、al、cu、ni 等，且复合效果都不错。kuzumaki 等47用热压和热挤出工艺制备了cnt/al 复合材料，通过tem 分析发现，在制备过程中，碳纳米管没有发生变化；退火24h，温度为983k，在cnt/al 界面上没有发生化学反应。虽然室温下cnt/al 复合材料的强度增加不明显，但在873k 退火时，用粉末冶金法制备的纯铝的强度随着退火时间的延长而显著下降，而cnt/al 复合材料的强度下降很少。cong h t 和zhong r48 49用氢电弧放电法制备了多壁碳纳米管，用活性h2 等离子体蒸发法制得了纳米晶体铝，将纯化后的swnt与纳米al超声分散，然后室温冷压，再真空热压（380c）制备了swn