改善碳纳米纤维机械性能的方法

改善碳纳米纤维机械性能的方法

主要内容1.简述了制备CNF的两种主要方法2.从力学性能的角度对CNF的发展进行了探讨，并系统地讨论了不同制造阶段的强化策略。研究背景

CNFs可广泛应用于太阳能电池、植入式神经探头、组织工程、应变传感器、透明膜、可穿戴超级电容器、超柔性负极、电加热等领域。尽管CNFs表现出高刚度，但它们通常不具有预期所具有的高机械强度，并且在弯曲、旋转或冲击时通常非常脆弱。因此，大量的CNFs受限于其机械性能的应用。化学气相沉积制备CNF

图a显示了CVD工艺合成CNF的示意图，将碳前驱体在Ar和H2的气流下泵入石英管，并在石英管中放置衬底以收集CNF 。通过CVD获得的CNF长（高达100-200μm），呈波浪形并相互缠结。图b中的扫描电子显微镜（SEM）图像显示了产生的气相生长CNF的典型缠结结构。、静电纺丝法制备CNF

与催化合成不同，静电纺丝后再进行固化和碳化已成为制造连续CNF的直接简便方法，连续CNF的大小和结构可以在很宽的范围内进行调节。PAN纳米纤维在成功转化为碳纳米纤维之前需要进行后续热处理，包括固化和碳化。固化的PAN纳米纤维最终在惰性气氛中> 800°C时碳化。 随着温度的逐渐升高，微晶沿纤维轴依次排列和取向，从而改善了机械性能。 机械性能

图3概述了拉伸强度和杨氏模量，并比较了CNT和碳纤维的拉伸强度和杨氏模量。CNF的直径通常在几十纳米到几百纳米的范围内，并且在CNT和碳纤维的直径之间。除直径外，碳化温度的升高对强度和模量也有很大的影响。强化方法

氧化固化步骤是必不可少且耗时的步骤，可以用化学反应来解释，例如环化，脱氢和氧化，如图4a所示。 该阶段发生了不同的化学反应，并且纤维的微观结构已固定。 因此，加强CNF的首要应该是更好地控制这些反应的热力学。

第二个方法是前驱体的优化设计：1、可以在纺丝液中加入磷酸等添加剂和一些无机纳米颗粒进行强化。2、通过引入增强纳米线，特别是碳纳米管和石墨烯纳米片，也可以优化前驱体。3、加入共聚单体来改变聚合物链的长度和结构。

由于聚合物分子在电纺纳米纤维中不易高度对齐，因此CNF的机械性能仍远远低于经过大量机械拉伸后制成的传统碳纤维的机械性能。 显然，拉伸是加强CNF的最有效策略，并且有很多丰富的方法。在纺成纳米纤维时，聚合物链的高度排列是最终CNFs具有高强度和模量的前提。高速旋转是实现拉伸最简单的方法。最常用的排列纳米纤维的方法是圆盘收集法。

热化学反应是完成CNF形成的关键步骤，但是复杂的反应过程需要精细控制反应参数，例如温度、气体环境、时间、基材的选择以及固化过程中施加的张力。 此外，可以通过各种拉伸方法来改善分子取向，但是如果使用不适当的热处理，则其取向变得较少，从而影响固化和碳化。文章小结化学气相沉积法和静电纺丝法是制备CNFs的两种主要方法。与化学气相沉积法得到的波形和缠结纤维不同，电纺丝可以通过精确地设计前驱体和热处理产生强的CNFs，具有可调的尺寸、形态和微观结构。前驱体的优化设计是诱导更强的分子间相互作用、构建阶梯结构或在纺制纳米纤维中排列分子链的第一个重要步骤。添加剂如磷酸、无机纳米颗粒、增强纳米薄膜和共聚单体已显示出优异的增强能力。其中，添加适当的添加剂形成链间交联的co-PAN聚合物可能成为未来高强度CNFs的选择。改进的收集技术和纺后拉伸和拉伸处理是必要的，不仅要在纺好的纳米纤维之间，而且要在纤维内部的分子链之间诱导高度对齐。利用高速旋转的滚筒、薄的旋转轮、水流或辅助电场来拉伸纳米纤维已经取得了巨大的成功。在多步热处理过程中，化学反应的复杂热力学仍然不是很清楚。例如，避免涡轮应变碳晶的形成仍然是一个挑战。特别是在固化和碳化方面，需要对温度、气体环境、衬底等方面进行深入研究。

文章链接：http://www.espun.cn/News/Detail/43351

来源：易丝帮