基于石墨烯纳米带的高性能新型碳纤维研究

The contact areas between carbon nanotubes in carbon fibers made of carbon nanotubes are small and the attractive force force is weak, which results in the performance and tensile strength of the fibers are much smaller than that of individual nanotubes. Graphene nanoribbons (GNR) have similar tensile strength with that of carbon nanotubes and the contact areas between GNRs are much larger comparing to that between nanotubes. This can result in stronger force between GNRs. Therefore,the studies of carbon fibers of GNRs will have potential applications with high performances. In our recent works, we have successfully unzipped single-walled carbon nanotubes into GNRs and found that fibers containing GNRs have enhancing performances. In this application, we hope to carry out the following studies: 1.Large scale synthesis of GNRs: studies on the techniques and conditions to unzip SWNTs into GNRs in large quantity, such as the metals used, the gases, temperature, pressure etc.2. Properties of the film of GNRs: studies on the dependence of properties on the quantity of GNRs in the film,and try to enhance the content of GNRs in the film to greater than 95%. 3.fabrication of GNRs fibers: to fabricate GNRs fibers using wire drawing dies and to study the diameter of the wire drawing dies. To obtain fibers with controlled density, diamer and length. 4. studies on the properties of the GNRs fibers: to study the morphorlogies,structure, mechanical and thermal properties, and to fabicate fibers with tensile strength of 5~10 GPa,modulus 100~300 GPa.

碳纳米管构成的碳纤维中由于碳管之间搭接时接触面积小，导致其性能远逊于单根碳管。石墨烯纳米带（GNR）力学特性与碳管接近，相互搭接时接触面积大，相互作用力增大。因此研究GNR构成的新型纤维是具有重要应用前景的课题。最近我们发现金属刻蚀可以成功解开单壁碳管得到GNR，含有GNR的碳管纤维其拉伸强度可得到明显提高。因此提出本申请并开展如下研究：1.宏量制备GNR：研究单壁碳管膜经过金属刻蚀成为GNR膜的实验方法、条件及刻蚀用金属种类。2. GNR膜的性质：研究碳管膜经刻蚀后GNR的含量与其电学、力学性质的关系，提高GNR在膜中的含量（≥95％）。3. GNR纤维：研究用拉丝模制备GNR纤维的工艺参数，如拉丝模的孔径、系列配置，实现纤维的密度、直径、长度可控。4. GNR纤维特性研究：开展新型纤维的形貌、结构以及力学、热稳定等性质研究，目标拉伸强度：5～10GPa，杨氏模量：100～300GPa。

围绕课题的任务，开展了以下几个方面的研究：1）研究了高纯度金属（99.999%）热蒸镀（铁、钴、镍、及锡）及磁控溅射（锌）以及氩等离子体对浮动化学气相沉积生长的碳管膜以及离散单根碳管的刻蚀作用。开展了刻蚀后碳管、石墨烯纳米带形貌的SEM、AFM、Raman谱、界面湿润特性研究。对磁控溅射金属锌/单壁碳管的研究（SEM、TEM以及Raman谱）结果表明，处理之后的碳管含有大量缺陷。氩等离子刻蚀可以将碳纳米管解离成石墨烯纳米带，在此基础上形成碳纳米管纤维。碳管、石墨烯复合纤维强度与刻蚀条件及刻蚀条件和时间有关，由于碳管上大量缺陷的出现，使得制备得到的宏观纤维力学强度较低，其拉伸强度达到约150MPa。2）开展了碳管纤维增加螺旋角及高压处理对力学性能影响的研究：对单壁碳纳米管薄膜通过金刚石拉丝模处理，得到圆柱状的纤维。用压力处理的方法将柱状纤维制备成带状纤维。对带状纤维的拉伸强度、杨氏模量、断裂伸长率、密度进行了测量和计算。结果表明，与未经压力处理的柱状纤维相比，带状纤维的力学性能得到显著的提高。如压力处理前典型柱状纤维的杨氏模量和拉伸强度分别为17MPa 和0.35 MPa，压力处理后带状纤维最高杨氏模量和拉伸强度分别能够达到81GPa和960MPa。通过压强与带状纤维的拉曼光谱的关系，探究了压力处理对纤维力学性能的影响，并提出压力处理通过增强纤维中碳纳米管之间的耦合和范德瓦尔斯作用提高纤维的力学性能。3）碳管膜正交叠加及复合研究：为增大薄膜中单壁碳纳米管的刻蚀率，重点开展了对厚度100纳米的单壁碳管薄膜磁控溅射蒸镀后，进行堆叠增加碳管膜厚度。采用拧转法将CVD生长的单壁碳纳米管薄膜制备成纤维，利用聚合物浸透法制备了SWNT/PVA柱状复合纤维。拉伸测试表明高温高压处理能够有效提升纤维的力学性能，利用SEM对纤维断裂面形貌进行研究，探讨了PVA与碳纳米管复合纤维的结构，并指出高温高压能够提高复合纤维的交联密度，增强PVA与碳纳米管界面强度，从而提升力学性能。复合纤维拉伸强度可达1.2GPa，杨氏模量可达40GPa。