[发明专利]一种高强度、高弹性模量、优良延展性的碳纳米管纤维材料及制备方法

说明书

本发明涉及一种高强度、高弹性模量、优良延展性的碳纳米管纤维材料及制备方法，其中制备方法包括以下步骤：步骤1：制备碳纳米管薄膜；步骤2：对碳纳米管阵列薄膜进行离子或基团轰击处理，使相邻碳纳米管之间由共价键连接；步骤3：对步骤2得到的由共价键连接的碳纳米管薄膜抽丝加捻纺成丝状，即得到碳纳米管纤维材料。本发明使经离子或基团轰击后在碳纳米管间引入强共价键连接，使得碳纳米管间界面的力学性能显著提升，在承受载荷时不易因碳纳米管间发生滑动而破坏失效；通过加捻可提升碳纳米管纤维的密实度和碳纳米管之间的范德华相互作用。

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管纤维材料，特别涉及一种高强度、高弹性模量、优良延展性的碳纳米管纤维材料及制备方法。

背景技术

高性能碳纤维材料是国防建设和国民经济发展的重要材料，在航空航天、防弹装备、飞机、新能源、海洋工程、环境保护、现代建筑、汽车轻量化、船舶建造等领域发挥着至关重要的作用。

目前的碳纤维材料主要由聚丙烯腈(PAN)等前驱体经过一系列复杂的物理化学过程得来。碳纳米管因其SP2碳-碳键六边形单元构成的准一维网架结构特点，具有优异的力学性能，如弹性模量高达1TPa，拉伸强度达100GPa，断裂延伸率达15％-30％，远远超过传统的碳纤维材料，比当前最强的碳纤维(如日本东丽公司的T1000)也要高出1-2个数量级。而且，碳纳米管具有优异的电学特性、极高的热导率、良好的热稳定性和化学稳定性、高比表面积和低密度，因此碳纳米管纤维材料可以作为理想的结构、功能材料。但是通过目前技术方法制备的碳纳米管纤维材料，其力学性能远低于预期，大多数甚至低于通用级碳纤维材料T300。例如通过溶液纺丝制备的碳纳米管纤维材料强度只有0.1GPa，通过阵列抽丝制备的碳纳米管纤维材料强度最高也只能达到2-3GPa。究其原因，主要是由于碳纳米管纤维材料纤维束中碳纳米管间主要为弱的范德华力相互作用，以及碳纳米管的排布和取向杂乱。这两大因素严重影响了碳纳米管纤维材料的力学性能，限制了其在以上各领域的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高强度、高弹性模量、优良延展性的碳纳米管纤维材料及制备方法，以克服上述现有技术中的不足。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

实施例一、本发明提供了一种高强度、高弹性模量、优良延展性的碳纳米管纤维材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：制备碳纳米管薄膜；

步骤2：对碳纳米管薄膜进行离子或基团轰击处理，使碳纳米管薄膜中的相邻碳纳米管之间由共价键连接；

步骤3：对步骤2得到的由共价键连接的碳纳米管薄膜抽丝加捻纺成丝状，即得到碳纳米管纤维材料。

本发明的有益效果是：利用碳纳米管的优异力学性能，结合胶原纤维结构特点，对碳纳米管纤维材料的制备方法进行创新，使经离子或基团轰击后在碳纳米管间引入强共价键连接，使得碳纳米管间界面的力学性能显著提升，在承受载荷时不易因碳纳米管间发生滑动而破坏失效；通过加捻可提升碳纳米管纤维的密实度和碳纳米管之间的范德华相互作用，进而获得高强度、高弹性模量、优良延展性的碳纳米管纤维材料。

进一步：步骤1中碳纳米管薄膜中的碳纳米管沿固定方向取向。

上述进一步方案的有益效果是：使碳纳米管薄膜中的碳纳米管的取向高度一致、交错排列，增加碳纳米管相互之间的接触面积，进而增强碳纳米管之间范德华相互作用。

进一步：步骤1中碳纳米管薄膜的厚度为10um。

进一步：步骤2中采用轰击能量为150eV至250eV、辐射剂量为1.0×10²¹m^-2至1.2×10²¹m^-2的碳离子或含碳基团垂直照射轰击碳纳米管薄膜。