陈红燕，王继辉
（武汉理7.大学，湖北武汉430070)
摘要：纳未碳纤维／聚合物复合材料是近午来的热点研究领域。本文简要介绍了纳米碳纤维的几种制备方法及纳米碳纤
维／聚合物复合材料的应用前景，讨论了纳米碳纤维在聚合物中的分散、取向和界面相互作用叶复合材料性能的影响，介绍了
加入纳来碳纤维贼予聚合物光电性能和目前尚待研究的一些问题。
关键词：纳米碳纤维； 制备方法；复合材料
中图分类号：TQ342＋．742 文献标识码：A文章编号：1003 -0999 (2005）03一0041 -03
1 前言
1985年发现的碳家族中的C60等富勒烯以及1991年发现的纳米碳管所表现出的优异性能引起了科学家们的广泛兴趣。尤其是纳米碳管，其独特的结构特征使之表现出奇异的力学、电学和磁学等性质，可望在纳米电子器件、储能、场发射与平板显示、导电和电磁屏蔽、结构增强等众多领域获得广泛应用。纳米碳纤维（CNF)是直径介于纳米碳竹及普通碳纤维之间的准维碳材料。一般而言，纳米碳纤维的直径约为50 ~200nm，但目前小于100MM的中空状纤维也称为纳米碳管。纳米碳纤维具有较高的强度和杨氏模童，较好的导电、导热及热稳定性以及极好的表面尺寸效应等，因而受到了人们极大的关注。现在市面上常见的纳米碳纤维是通过气相生长法制备的，从有机化合物分解出的催化剂颗粒分布在三维空问内，催化剂挥发量可直接控制，因此其单位时间内产量较大，可连续生产，较纳米碳竹更易实现工业化生产。
气相生长纳米碳纤维是在过渡金属（如Fe,Co,Ni或其合金）的催化作用下，由低碳氢化合物在氢气做载气的情况下高温裂解生成的具有高比强度、高比模量，高结晶取向度、高导电、导热等性能的新型碳材料。除此之外，它还具有缺陷数量少、比表面积大、导电性能好、结构致密等优点，可望用作催化剂和催化载体、锉离子乙次电池阳极材料、双层电容器电极、，旬效吸附剂、分离剂及结构增强材料等、纳米碳纤维及其复合材料等。
2 纳米碳纤维及其复合材料的制备
纳米碳纤维的制备方法主要有基体法、喷淋法和流动催化法，基体法是在石墨或陶瓷华休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。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。喷淋法是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，实现催化剂的连续喷人，为大量制备纳米碳纤维提供了可能。但催化剂与烃类气体的比例难以优化，喷洒过程中催化剂颗粒分布不均匀，且难以纳米级形式存在，因此所得产物中纳米级纤维所占比例较少，且有一定量的碳黑生成、流动催化法可制备出直径为50~200 mn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。山于有机化合物分解出的催化剂颗粒可分布在三维空间内，同时催化剂的挥发量可直接控制，因此单位时间内产量大，并可连续生产。目前这种方法已能较大量制备纳米碳纤维。
沈阳金属所成会明研究组允分利用基板法和喷淋法等优点，采用改进的气相流动催化剂法，在水平反应炉里生长出10~100MM的cNF[3]。此法以苯为碳源，二茂铁为催化剂前驱体，氢气作载气，含硫有机化合物噻吩为生长促进剂，在1100一1200℃下催化生长纳米碳纤维。二茂铁在200℃的温度下开始挥发，随氢气和烃类化合物气体进人高温反应区后在大于400℃开始分解成单质铁，单质铁相互碰撞，并聚集成纳米级铁颗粒，条件适宜时开始生长纳米碳纤维。影响纳米碳纤维生长的因素很多，如载气的种类和纯度、烃类气体的种类和分压、反应温度、催化剂（颗粒大小、形状、结晶构造）的选取、气体流量、其他元素的添加（如硫、磷）等。
纳米碳纤维要得到广泛应用，必须解决低成本大量制备问题。2000年日本昭和电工公司[1]使用IOOO T立式反应炉，采用喷淋法生产纳米碳纤维。日前，该公司已制造出连续生产的设备，可大量生产纳米碳纤维。成会明f}l等采用气相流动催化法，在水平反应管中半连续大量制备纳米碳纤维。该方法制备的纳米碳纤维较纯净、均匀。
美国空军研究实验室材料和制造理事会的科学家们也正与应用利学公司合作，发展一种成本低廉且行之有效的方法来生产纳米碳纤维复合材料，以期能够用它生产军用和商用的航空航天器件。该气相生长法得到的碳纤维用于复合材料不仅可达到航空航天用材料所必须的高硬度和高热导率，而且生长费用也可大大降低。据推测，这种纳米纤维复合材料的生产费用有望降低到约6.3美元/kg,
在基休树脂和增强材料确定的条件下，复合材料制备工艺是决定材料性能优劣的关键[4-6」。
纳米碳纤维／聚合物复合材料的合成方法通常有三种：①在纳米碳纤维存在下的原位聚合法是直接将纳米碳纤维与单体混合，再在一定条件下利用纳米碳纤维表面的官能团参与聚合，或利用引发剂打开纳米碳纤维的二键，使其参与聚合而达到与有机相的良好相容性；②物理共混法，分为溶液共混和熔体共混。它是利用纳米碳纤维上的官能团和有机相的亲和力或空间位阻效应达到与有机相的良好相容性，如熔融共混是将未经任何处理的纳米碳纤维直＿接分散于有机基质制得纳米碳纤维／聚合物复合材料；③有机化处理法。陈7川碳纳米管和聚合物的物理化学性质决定了二者的相容性差，因此要制备合格的纳米碳纤维／聚合物复合材料，一个有效的途径是对碳纳米管进行有机化处理。
3 纳米碳纤维在聚合物基复合材料中的应用
纳米碳纤维其有高的长径比和类似碳纳米管的中空结构，作为准一维结构的纳米碳纤维，其直径处于气泪｛生长碳纤维与纳米碳管之间，因此它既具有气相生长碳纤维的优异性能，又有许多与纳米碳管相似的性质。它可应用于电子器件、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，潜在应用领域也十分广阔。
聚合物基复合材料是复合材料中重要的分支，与其他基休复合材料相比具有比强度高、可设计性强、抗疲劳性能好、成型工艺简单等优点，在许多领域应用广泛。纳米碳纤维／聚合物复合材料有望在纳米纤维含量很低（3一5 %n）的条件下达到甚至超过传统纤维增强复合材料（纤维体积含量约50%）的性能〔纳米碳纤维的高弹性使之可在高聚物中逐步而持续进行调整，利用载荷传递，从而获得高强韧性的复合材料。此外，纳米碳纤维／聚合物复合材料的成型与聚合物的成型相似，不需要制备预浸料，成型工艺简单易行。这些潜在的巨大优势都吸引人们积极开展纳米碳纤维／聚合物复合材料的研究。
纳米碳纤维在复合材料中的应用集中于三个方面：作为材料增强休、改善材料导电性和光电性能；纳米碳纤维的机械性能和热稳定性，用作复合材料增强体，研究发现合成的纳米碳纤维／聚合物复合材料较未复合纳米碳纤维的材料机械性能和热转变温度都有相当大的提高；纳米碳纤维可赋予纳米碳纤维／聚合物复合材料光、电学新特性。
3.1纳米碳纤维作为材料增强体
纳米碳纤维可作为复合材料理想的增强纤维，它具有很高的长径比，一般大于1000。实验发现纳米碳纤维坚硬度比碳纤维高，但脆性低。纳米碳纤维的优异的力学性能使它可作为增强材料制备强度特别高的复合材料。与传统的纤维增强复合材料一样，纳米碳纤维在基休中的分散性和界面粘结强度是影响增强效果的重要因素。研究表明，纳米碳纤维同时具备高强度、高弹性和高刚度，在分子器件和提高复合材料力学性能方面已显示出巨大的潜力。纳米碳纤维径向的纳米级尺寸和高的表面能导致其在聚合物中容易团聚，分散性较差，不仅降低了碳纳米管的有效长径比，而且容易造成纤维径向间的滑移，使得其增强效果变差，除稚⑿酝猓?擅滋枷宋?诰酆衔镏械娜∠蚨愿春喜牧系奈⒐哿ρ?阅芤灿薪洗蟮挠跋臁
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