Mn掺杂Zigzag(8,0)型单壁碳纳米管吸附甲醛分子的密度泛函理论研究

甲醛是一种对人体健康造成巨大威胁的污染物。气态甲醛浓度的准确检测对大气空气治理评估和室内环境安全均有重要意义,而高效传感器的研发则是甲醛分子检测技术优化的关键。本研究通过基于第一性原理的DFT计算软件VASP,对甲醛分子在Mn掺杂Zigzag(8,0)型单臂碳纳米管上的吸附特性进行研究。结果表明:Mn掺杂Zigzag(8,0)型单臂碳纳米管是一种稳定的分子构型。区别于在原始CNT上的物理吸附过程,甲醛分子在Mn掺杂CNT上的吸附键长更短,吸附能更大,属于化学吸附过程。同时,甲醛分子在Mn掺杂CNT上的吸附过程还伴随着明显的电荷转移。吸附过程发生后,吸附样品的光吸收曲线在580~705 nm以及365~447 nm的范围内出现明显的蓝移,在307~360 nm的范围内出现了明显的红移。

碳纳米管增韧Al-Mg合金复合材料的制备与性能研究

选择碳纳米管为增强相,通过搅拌铸造法制备了碳纳米管增韧Al-Mg合金复合材料,研究了碳纳米管的添加量对复合材料力学性能、微观组织以及韧性的影响,并探究了碳纳米管对Al-Mg合金的增韧机理。结果表明,掺入适量的碳纳米管后细化了Al-Mg合金复合材料的晶粒,晶粒尺寸约为80μm,当碳纳米管的添加量为0.8%(质量分数)时,复合材料的断口形貌最均匀。随着碳纳米管添加量的增大,复合材料的抗拉强度、断裂伸长率、硬度均表现出先增大后降低的趋势,当碳纳米管的添加量为0.8%(质量分数)时,抗拉强度、断裂伸长率和硬度均达到了最大值,分别为208.6 MPa、15.8%和53.1 HB。适量碳纳米管的添加显著改善了Al-Mg合金的韧性,使断裂延伸率逐渐增大,屈服阶段延长,韧性得到提高,这是因为适量的碳纳米管添加后能够与合金发生较好的结合,并贯穿于合金的裂纹中,发挥出了桥联作用,阻碍了裂纹的萌生和扩展,从而改善了Al-Mg合金复合材料的韧性,延缓了合金的失效过程,延长了合金的屈服阶段。综上分析可知,碳纳米管的最佳添加量为0.8%(质量分数)。

气流粉碎干燥对碳纳米管水分含量的影响

【目的】制备锂离子电池正极导电浆料中水分含量(质量分数,下同)极低(<10-3)的碳纳米管,研究对碳纳米管物料水分含量的影响因素。【方法】利用LNJ-12A型气流磨对碳纳米管湿物料进行超细粉碎干燥;通过改变气流磨的分级机转速、引风机转速、喷嘴喉部直径、粉碎腔体积,分析不同参数对碳纳米管物料水分含量的影响。【结果】在综合考虑能耗和实际工况下,当单因素变量为分级机转速4800 r/min、引风机转速2400 r/min、直喷嘴喉部直径4.5 mm、粉碎腔体积从1.14×10^(-2) m^(3)增加至23.56×10^(-2) m^(3)时,碳纳米管干燥后的水分含量分别为8.45×10^(-4)、6.68×10^(-4)、6.88×10^(-4)、5.89×10^(-4)。【结论】适当增大分级机转速,减小引风机转速,使用直径合适的直喷嘴,增大气流磨粉碎腔体积,对碳纳米管的水分干燥效果会产生有益影响,相同干燥次数下碳纳米管物料水分含量更低,且达到水分要求时的干燥次数更少。

基于碳纳米管阵列的高响应光电探测器件

纳米管(Carbon nanotube,CNT)具有纳米级特征尺寸、独特的一维能带结构、极大的比表面积和多种排布形态,吸收波长覆盖太赫兹至紫外波段,吸收率高;半导体型单壁碳纳米管拥有直接带隙,禁带宽度随手性不同在0.1 eV至1 eV以上均有分布,可实现室温弹道输运,是构建片上高响应、超宽带、超快可调光电探测器件的新型潜力材料。南京电子器件研究所采用高纯度半导体型碳纳米管阵列材料设计制备了多种红外—光电探测器件,其中叉指型光电探测器件通过缩短电极间距降低渡越时间提高响应速度、构造功函数不同的非对称电极促进光生空穴—电子对分离提高响应度、增加栅控有效调控多数载流子降低暗电流,实现了300 A/W以上的优异响应度,响应时间<30μs。进一步联合东南大学,首次在碳纳米管光电探测器件中引入硅光波导与金属狭缝结构,激发等离激元局域光场增强与耦合,在1550 nm通信波段获得高响应特性,3dB带宽达15GHz。未来通过构建异质结及叠层结构,有望进一步降低暗电流,并开发取向阵列的偏振敏感特性,助力碳基电子学及光电子学的应用发展。

石墨烯/碳纳米管复合电热膜制备过程工艺优化及预测模型

目的本文利用响应面法和神经网络遗传算法对石墨烯/碳纳米管复合电热膜的固化工艺进行优化,并对2种方法的优化结果进行比较,为复合电热膜制备提供了最佳的工艺参数。方法通过单因素实验探讨浆料定量、固化温度和固化时间对复合电热膜体积电阻率的影响,在此基础上进行BB试验设计,在BB试验结果上进行响应面法(RSM)和BP神经网络分析及优化。结果单因素实验结果表示随电热膜定量增加,体积电阻率先下降后上升,随着固化温度的升高或固化时间增加,体积电阻率逐渐下降直至趋于稳定。对BB响应面法和GA-BP遗传神经网络法优化获得的最佳工艺进行实验验证,GA-BP遗传神经网络模型优化的结果相对误差较小为1.06%,因此得出最佳固化工艺参数:定量为0.056 g/cm^(2)、固化温度为85.71℃、固化时间为11.13 h。该研究结果对石墨烯碳纳米管复合电热膜的制备工艺具有参考价值。结论通过响应面方差分析表明,定量、固化温度和固化时间三因素对体积电阻率既有显著的线性影响,也有极其显著的平方影响。BP神经网络预测模型的准确性很好,可用于石墨烯/碳纳米管复合电热膜体积电阻率的预测。

微分求积法分析碳纳米管磁流体输送系统的稳定性

基于磁流体动力学方程及非局部欧拉-伯努利(Euler-Bernoulli)梁模型,建立了轴向磁场作用下单壁碳纳米管磁流体输送系统的振动微分方程.应用微分求积法(DQM),在固支边界条件下,求解此高阶偏微分方程,着重研究管内磁流体效应、轴向磁场、小尺度参数(磁流体克努森数Kn与碳纳米管小尺度系数)对该系统振动与失稳特性的影响.数值计算结果表明,轴向磁场提升系统刚度及系统稳定性,而小尺度参数降低系统稳定性.更重要的是,固支边界系统中磁流体在磁场作用下,降低输送系统的刚度,但能提升输送系统的稳定性.

造粒的氮掺杂碳纳米管基吸附剂对卤水中硼的吸附行为与机理

盐湖卤水中硼资源丰富,存在形式复杂多样,分离和回收硼的意义重大。基于N掺杂强静电与多羟基协同作用能够有效提高硼阴离子的分离机制,设计以水合肼为N源,多羟基的一维纳米材料碳纳米管(CNTs)为多羟基络合基,采用简单的一锅水热法合成了N掺杂的碳纳米管硼吸附材料(N-CNTs)。此外,以改性的聚丙烯腈为造粒剂,经造粒后,最大硼吸附容量为20.45 mg/g,特别在低浓度硼的分离中表现出优异的性能,这使N-CNTs成为硼的高效吸附材料。吸附机理为一维碳纳米管和改性聚丙烯腈的高比表面积上多羟基与N掺杂位置发生强静电协同增强络合吸附。硼吸附过程符合朗格缪尔吸附等温模型和准二阶动力学模型,在高浓盐多离子溶液中表现出优异的选择性硼吸附性能。该吸附剂在东台吉乃尔盐湖卤水中硼的吸附容量达18.92±1 mg/g,该技术在盐湖卤水及水处理行业具有较高的应用潜力。

不同官能团修饰碳纳米管填充PP复合材料分子模拟

随着光伏发电和海上发电等新型清洁能源的迅速发展,对薄膜电容器的工作温度提出了更高的要求。然而,当前使用最泛的双向拉伸聚丙烯(BOPP)电容器薄膜在高温以上时无法胜任应用需求。基于实验与仿真的方法,对聚丙烯(PP)、碳纳米管及羟基、氨基、羧基功能化碳纳米管(CNTs-COOH)填充PP复合体系进行热重试验、玻璃化转变温度、热导率、自由体积分数和均方位移等性能的研究。结果表明,经羧基修饰的碳纳米管与PP复合后的热学性能增加效果最为显著,氨基、羟基修饰的碳纳米管体系次之。CNTs-COOH复合材料具有更优异的性能,其起始热分解温度和玻璃化转变温度分别提高了76.15℃和40.33℃,热导率较纯PP体系提高了18.27%,自由体积分数降低至17.96%。羧基的加入能够有效占据PP/CNTs复合体系中的空穴,减缓复合体系分子链段的移动和降低复合体系的均方位移,使得PP复合体系保持良好的热稳定性。研究结果可为适用于高温条件的PP电容器薄膜材料提供参考。

碳纳米管增强铝基复合材料界面与晶粒调控研究进展

随着碳纳米管增强铝基复合材料制备工艺的不断完善,碳纳米管的难分散问题被妥善解决,复合材料的强度有所提高,但复合材料的高模量、高强度没有得到充分利用,并出现“强度–塑性”倒置现象。本文总结了近年来对碳/铝复合材料界面结构、晶粒结构与复合构型设计的调控手段,讨论了界面结构强度对碳纳米管载荷传递效率的影响,分析了出现倒置现象的原因,并针对复合材料塑韧性差的问题,提出了调控思路,为制备强度高、韧性强的碳纳米管增强铝基复合材料提供依据。

碳纳米管对混合粒径PcBN复合材料性能的影响

为提高高温高压制备的聚晶立方氮化硼(PcBN)复合材料的性能,以颗粒尺寸分别为0~0.5μm和0.5~1.0μm的混合粒径立方氮化硼(cBN)为原材料,Al-Ti-Al_(2)O_(3)为结合剂,加入不同质量分数的碳纳米管,在高温高压条件下烧结制备PcBN复合材料,研究碳纳米管质量分数对PcBN复合材料结构和性能的影响。结果表明:添加碳纳米管后,PcBN和碳纳米管间没有发生化学反应,碳纳米管以增强体的形式存在于复合材料内部;复合材料较致密,碳纳米管的添加使PcBN的相对密度先增大后减小。当碳纳米管添加质量分数为1.5%时,PcBN的相对密度有最大值97.9%,同时PcBN有最大的显微硬度和断裂韧性,分别为3892 HV和6.82 MPa·m^(1/2);当碳纳米管的添加质量分数为1.0%时,PcBN有最大的抗弯强度和磨耗比,分别为584 MPa和6873。碳纳米管拔出和桥连作用提高了PcBN复合材料的力学性能。

基于碳纳米管涂装的超疏水表面及性能研究

为了实现绿色环保的方式制备超疏水表面,采用碳纳米管(CNT)涂装与SLM-3D打印结合的方式制备金属基底的超疏水表面。利用扫描电子显微镜和表面成分能谱分析进行表征,发现碳纳米管成功涂装至3D打印的类水稻沟槽结构上,并呈现出团簇结构。碳纳米管团簇与试样表面的沟槽结构形成了两级结构特征,无需氟硅烷等含氟物质修饰便获得超疏水特性,其接触角为153.1°,滚动角为8.2°。对碳纳米管涂装和氟硅烷修饰这两种方式制备的试样表面进行耐腐蚀性能、黏附性能、机械性能等测试。结果表明:碳纳米管涂装的超疏水表面不仅具有优异的耐腐蚀性能,而且表面黏附力极小,仅为23.2μN。碳纳米管涂装的试样表面经过线性磨损280 cm后,接触角依然在150°以上。采用3D打印结合碳纳米管涂装的超疏水表面抗破坏力强,疏水功能稳定。

化工综合实验设计探究——以胆碱类低共熔溶剂预处理杨木制备生物质基碳纳米管为例

针对辽宁科技大学化学工程与工艺专业实验部分教学内容更新不及时,无法与目前专业前沿知识和先进分析表征技术同步的现状,设计开发了生物质基碳纳米管的制备、结构表征及性能研究的综合设计性实验项目。通过文献查阅、实验方案设计、样品制备和检测、数据分析等教学环节,培养学生运用专业理论知识和基础实验技能来解决煤化工和化工相关领域中实际问题的能力。全面提升学生的动手能力、思辨能力和综合问题分析能力,从而满足工程教育专业认证背景下对于人才培养的要求。

聚乙烯醇/角蛋白/碳纳米管自愈合导电水凝胶的构建

为了进一步提高聚乙烯醇水凝胶的力学性能和导电灵敏性,本文以聚乙烯醇(PVA)为原料,以羊毛角蛋白(KE)和三氯化铝(AlCl_(3))为交联剂,添加碳纳米管(CNT)作为导电载体,制备出具有互穿双网络结构的自愈合导电水凝胶。通过扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)等测试手段对PVA/KE/CNT复合水凝胶进行测试分析。结果表明,AlCl_(3)中的Al^(3+)与角蛋白中的—COOH、—OH配位络合促使角蛋白间相互交联形成团簇,同时AlCl_(3)中的Al^(3+)也与PVA中的—OH交联形成紧密结构,增强了水凝胶的强度和韧性,CNT被两种交联结构紧紧包裹并赋予水凝胶导电性能。CNT的加入使复合水凝胶的韧性增加,添加质量分数为4%和5%的CNT可明显提升材料的强度;所制备的水凝胶都具有较好的自愈合性能,在一定范围内的自愈合性能与愈合时长成正比,12 h的愈合时长效果最佳;加入CNT使水凝胶电阻下降,添加质量分数为2%~5%的CNT后水凝胶电阻分别为8.98、4.56、3.81、3.12 kΩ。这种力学性能、自愈性能和导电性能均良好的水凝胶与人体运动检测应用具有天然的柔韧匹配性,在电子皮肤和柔性传感器领域有很好的应用前景。

碳纳米管/石蜡复合相变材料的蓄放热特性研究

碳纳米管可在石蜡中形成有效的传热网格,增加复合材料传热路径,提高传热系数。使用直径为8~12nm的工业级碳纳米管粉末,将含量为1%、3%、5%、7%的碳纳米管分别加入石蜡中,并对其进行蓄放热性能测试。结果表明:碳纳米管含量为7%时,复合相变材料在水平方向的蓄热性能最好,上下截面达到相变时间分别是纯石蜡的61.1%和41.7%,且垂直方向上复合材料温度均匀性也很好;含量为5%时蓄热性能略差;含量为1%和3%时蓄热性能改善不明显。在放热过程中,含量为7%的复合相变材料放热效果最好,达到相变温度时间比纯石蜡缩减了78.3%。

碳纳米管/锂渣混凝土抗压强度和抗氯离子渗透性能试验研究

为探究碳纳米管/锂渣混凝土的基本性能,设置水胶比为0.35、0.40和0.45,碳纳米管(CNTs)掺量为0、0.05%、0.10%和0.15%,锂渣(LS)掺量为20%的混凝土配合比,以抗压强度、电通量等作为表征参数,分析不同CNTs掺量、不同水胶比对混凝土抗压强度及抗氯离子渗透性能的影响,结合工业CT(ICT)扫描技术从细观层面分析碳纳米管/锂渣混凝土的孔隙结构及其特征参数。研究结果表明:CNTs掺量为0.10%时达到抗压强度最大值;水胶比由0.45降低到0.35,抗压强度最大提升34.04%;通过电通量测试分别测得28 d、56 d的数据得出碳纳米管/锂渣混凝土电通量等级分布在低与很低两个水平内,抗压强度与抗氯离子渗透性能之间存在明显的正相关性,通过分析证明,可以考虑初始电流作为氯离子渗透性能的评价指标。此外,通过CT扫描进一步研究碳纳米管/锂渣混凝土的孔隙结构,利用Image Proplus与VGStudio等软件对孔隙结构相关特征参数的提取、统计与分析,分析结果表明,适量的CNTs与较低的水胶比有利于孔结构的优化,且细观结构与宏观性能之间有着较强的相关性。

导电作用下碳纳米管-碳纤维沥青混合料的自愈合研究

针对沥青路面因车辆荷载、温度荷载等带来的裂缝扩展问题,采用碳纳米管-碳纤维制备导电沥青混合料,进行电-热愈合试验,分析沥青混合料裂缝愈合前后的电阻率值、断裂能、极限承载力和微观结构,研究导电作用下碳纳米管-碳纤维沥青混合料的自愈合水平。结果表明,碳纳米管掺量在0.5%,1.0%时可以显著提高沥青混合料的自愈合能力;导电沥青混合料的自愈合水平与愈合前、后电阻率比值存在Sine函数关系;在50℃、20 min环境下小梁试件的极限承载力和断裂应变能得到最大限度的恢复。

碳纳米管模板导向制备煤沥青基电热材料及其性能调控研究

本研究以煤沥青为原料、多壁碳纳米管为结构导向剂,通过炭化制备了形貌和结构可控的煤沥青基碳膜,考察了多壁碳纳米管对导电填料结构及碳膜电热性能的影响规律。研究发现,多壁碳纳米管掺杂导致导电填料的晶格排列有序度增加、晶格间距减小和石墨化程度提高;多壁碳纳米管的引入提高了碳膜的载流子浓度,进而显著提高了其导电性。掺杂2%碳纳米管,可使煤沥青基碳膜的载流子浓度提高3.2倍、电阻降低67%;在5、10和15 V电压下,煤沥青基碳膜的发热温度分别可达44、88和165℃,相对未掺杂碳膜分别提高了7、22和70℃,显示出极大的应用前景。

单壁碳纳米管太赫兹超表面窄带吸收及其传感特性

由于碳纳米管具有优异的电学和光学特性,因此在光电子学领域具有广泛的应用前景.本文使用真空抽滤法,将单壁碳纳米管粉末分散液通过真空过滤的方式,制备了一种各向同性的单壁碳纳米管薄膜;进而提取了薄膜在0.4—2.0 THz范围内介电参数,并设计了一种基于单壁碳纳米管薄膜的新型太赫兹超表面窄带吸收器,这种超表面吸收器是由方形与工字形狭缝谐振器构成.实验和仿真结果表明,提出的太赫兹超表面吸收器在0.65,0.85,1.16和1.31 THz处存在4个明显的共振吸收峰,实现了最高可达90%的完美吸收.利用多重反射干涉理论阐明了这种多频带新型太赫兹超表面的吸收机制.通过在超表面器件表面覆盖具有不同折射率的介质层,深入研究了超表面作为折射率传感器的传感性能.研究结果表明,这种新型超表面吸收器用于折射率传感具有较高的灵敏度,为进一步开发新型碳基太赫兹超表面吸收器提供了新的思路和方案.

基于分子动力学的芳纶/功能化碳纳米管复合材料体系热力学性能模拟

对位芳纶绝缘纸以其优异的介电性能、力学性能在电气绝缘领域得到广泛应用。为探究不同功能化碳纳米管与对位芳纶共掺的复合材料热力学性能,该文通过分子动力学模拟方法建立了对位芳纶分子体系模型、未功能化碳纳米管以及分别接枝羟基、羧基和氨基官能团的芳纶/功能化碳纳米管复合体系模型。在Materials Studio和LAMMPS中计算了复合材料热导率、玻璃化转变温度、力学性能、结构参数及相对介电常数。结果表明,芳纶复合材料体系各项性能均有不同幅度提升。芳纶/羧基化碳纳米管(PPTA/CNT—COOH)的热导率较掺杂前提升了75.4%,玻璃化转变温度提升了43.29 K。芳纶/羟基化碳纳米管(PPTA/CNT—OH)和芳纶/氨基化碳纳米管(PPTA/CNT—NH2)的热导率依次提升70.2%和63.2%。在力学性能上,复合材料比掺杂前的弹性模量平均增强30%以上,剪切模量增强15%以上。通过计算体系结构参数,从均方位移、自由体积占比、氢键数量与结合强度等分子层面阐释了材料性能增强的内在机理,最终发现PPTA/CNT—COOH在热力学性能上较其他掺杂体系提升最为明显,且碳纳米管的掺入未对材料介电常数引起较大改变,所得结果可为对位芳纶复合绝缘材料的掺杂设计、性能调控提供理论支持。

聚苯乙烯/碳纳米管/纳米黏土导电复合材料的制备及性能

为了考察纳米黏土(NC)的引入对碳纳米管(CNTs)在聚苯乙烯(PS)树脂基体中分散的影响,使用NC作为非导电填料,通过熔融共混工艺制备了PS/CNTs/NC导电复合材料,探讨了NC与CNTs的含量及密炼时间对PS/CNTs/NC复合材料导电性能和力学性能的影响规律。扫描电子显微镜分析表明NC的加入减少了CNTs在PS基体中的团聚现象,并促使CNTs在较低添加量下形成了导电网状结构。复合材料的电阻率表征结果表明,在相同的CNTs含量下随着复合材料中NC含量的增加,体系电阻率呈现出逐渐减小趋势,并且在低CNTs添加量下,NC的引入促使体系电阻率降低的现象更明显,随着密炼时间的增加,体系电阻率呈现进一步减小的现象;力学性能表征结果表明,PS/CNTs/NC复合材料的拉伸性能总体上随着CNTs和NC含量的增加而增大,并且随着密炼时间的增加,复合材料拉伸强度最高可增加50.2%。NC与CNTs的质量比为1∶1时,可获得具有良好导电性能的复合材料。