题目：碳纳米管膜及其复合材料性能强化方法与机理研究

    碳纳米管具有极高的拉伸强度、弹性模量以及优异的功能特性，被认为是聚合物基复合材料最理想的增强材料之一。然而，碳纳米管的纳米级尺寸使得其在聚合物中较难分散、添加量低，限制了复合材料性能的提高。2000年以来，碳纳米管被制备成一维或二维连续结构，如碳纳米管纤维、碳纳米管膜等，由此形成了碳纳米管宏观体增强复合材料。其中，碳纳米管膜具有自支撑的网络结构，有利于直接制备高碳纳米管含量的纳米复合材料，而备受关注，近年来发展较快。目前，复合材料中碳纳米管的取向性和有序性仍较低，是制约其性能向宏观体高效转化的瓶颈问题。本论文针对这一背景，以溶液抽滤法碳纳米管膜（又称巴基纸）和浮动催化法碳纳米管膜为研究对象，系统开展了碳纳米管膜及其复合材料的复合制备与牵伸强化工艺研究，分析了碳纳米管膜及其复合材料的微观结构、拉伸性能、动态力学性能、导电性能等，研究结果对高性能碳纳米管复合材料的发展和应用具有重要的意义和价值。

    首先，通过工艺优化分别制备出大尺寸巴基纸和浮动催化碳纳米管膜，其中浮动催化碳纳米管膜可连续生长10h 以上，生产效率高达2g/h，生产效率和产量均处于国内领先水平。建立了碳纳米管膜表面和内部孔隙分布、碳纳米管屈曲程度的表征方法。

    针对巴基纸的结构特点，提出了一步法快速制备聚合物管间增强巴基纸的工艺，新型分散剂（PVP）可包覆在碳纳米管表面形成管间增强作用，且PVP辅助制得的巴基纸拉伸性能远高于传统的曲拉通分散剂巴基纸，强度和模量分别提高2倍和3倍。建立了H2SO4掺杂巴基纸工艺，电导率达到1667S/cm，较初始电导率提高3.5倍以上。分析表明，H2SO4吸附于巴基纸中产生P型掺杂；部分碳纳米管被氧化形成含氧官能团，增加了载流子密度；H2SO4掺杂后巴基纸密度增加，形成更多导通网络。

    首次发现浮动催化碳纳米管膜具有类似聚合物的“冷拉”颈缩特性，原位观察了拉伸过程中碳纳米管网络结构发生取向、滑移、管束增大、结点破坏等重排行为。通过对比热处理、酸洗前后膜的拉伸行为，揭示了物理结点使碳纳米管网络在拉伸过程中保持良好稳定性，酸洗结点破坏后，其拉伸强度显著降低；碳纳米管表面低聚物起润滑作用，赋予碳纳米管网络较大的形变能力，热处理去除低聚物后，其韧性明显降低。

    首次发现浮动催化碳纳米管膜具有优异的动态阻尼性能，在宽温域（-120~350oC）范围内兼具高的储能模量（>11.0GPa）和阻尼系数（0.37），二者均随频率增加而迅速升高（1~200Hz范围内）。经振动试验验证，该碳纳米管膜比传统橡胶材料具有更加优异的减振降噪功效。分析表明，碳纳米管膜的高储能模量得益于物理结点的强作用，其高阻尼系数得益于聚并结构和叠合结构在交变载荷作用下的粘-滑运动机制。经过单轴和双轴牵伸，可进一步对储能模量和阻尼系数进行调控。

    基于浮动催化碳纳米管膜的牵伸重排行为，提出了乙醇辅助牵伸/热处理高效制备高取向致密化浮动催化碳纳米管膜的新工艺，偏振拉曼IG∥/IG⊥高达11.0（远高于干态牵伸的4.1），同时密度较无规碳纳米管膜提高68%，拉伸强度达到1100MPa以上，比同期国际报道最高值提高500MPa以上。深入研究发现，此工艺在大幅提高碳纳米管取向度的同时，可抑制蓬松结构引起的碳纳米管端头易于拉脱等问题。

    提出了树脂浸渍后牵伸法制备取向碳纳米管膜/环氧复合材料的工艺方法，碳纳米管含量高、树脂分布均匀，拉伸强度达到1800MPa以上，比干态牵伸后浸渍工艺复合材料的强度高近50%。在此基础上，提出了热牵伸制备取向碳纳米管膜/氰基树脂复合材料工艺，其拉伸强度达到2700MPa以上。分析表明，高温下粘性的氰基树脂可促进碳纳米管取向，冷却至室温过程中氰基树脂可抑制去除张力后碳纳米管的解取向行为。