新型碳纳米管三维组装结构的冰模板构建法及其复合材料性能研究

如何把碳纳米管有序组装起来形成大尺度的宏观材料体，是实现碳纳米管应用的关键问题。同时，碳纳米管分散性、有序性、和定向性的难于控制是制约其增强复合材料发展的瓶颈。本项目用冰模板法构建厘米级以上大尺度、可自支撑的碳纳米管三维有序组装体，并用其做增强体，制备高分子基纳米复合材料。对定向冰冻过程中，碳纳米管的自组装行为做系统而深入的考察，通过调控冷冻速率、冷冻方向、原料配比、及施加外电场、磁场等手段控制碳纳米管的自组装，探索冰模板诱导碳纳米管自组装过程的规律和机理，为冰模板技术的进一步应用提供理论基础，并获得可控制备三维有序组装体的最优工艺参数。对实验所得的纳米复合材料进行微观结构表征和力学、电学性能测试，进行增强增韧机理分析，实现结构/功能一体化优化设计。

如何把碳纳米管（CNTs）有序组装起来形成大尺度的宏观材料体，是实现碳纳米管应用的关键问题。同时，碳纳米管分散性、有序性、和定向性的难于控制是制约其增强复合材料发展的瓶颈。本项目利用冰模板法成功制备了厘米级以上大尺度、可自支撑的、具有层状结构的碳纳米管组装体，并将其引入双马树脂中，成功制备了具有高导电性和优秀力学性能的碳纳米管/双马树脂纳米复合材料。同时，还对多种分散体系的定向冷冻行为进行了研究，分别选取碳纳米管/壳聚糖（CHI）双分散体系、壳聚糖水溶液、纳米聚苯乙烯（PS）球的水分散液、和SiO2微粒的水分散液作为对比研究对象，在单面接触冷冻面定向冷冻与逐渐浸入冷冻液定向冷冻这两种定向冷冻模式下，揭示了冷冻速度和分散液浓度对定向冷冻过程的影响规律，并成功制备了具有层状结构、低密度、高孔隙率的CNTs/CHI复合材料、具有层状结构的多孔壳聚糖材料、PS纳米颗粒纤维束、PS纳米球三维多孔层状结构和瓦片结构、SiO2微粒瓦片结构和条带束等多种有趣微观结构。本项目的研究为纳米材料的有序三维组装提供了简便易行且环境友好的新方法，同时得到了碳纳米管的新型组装结构，为其在复合材料工程、催化工程、和生物工程等领域的应用拓展了空间。