碳納米管的可控合成及其在人工肌肉領(lǐng)域的應(yīng)用.pdf

1、碳納米管，可以看作由單層石墨碳卷曲而形成的一維中空?qǐng)A柱型管狀結(jié)構(gòu)。而基于石墨層數(shù)的不同可以將碳納米管分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。碳納米管在電子學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)，化學(xué)，電化學(xué)等多個(gè)方面都具有優(yōu)異的性質(zhì)，這也使得它們?cè)诙鄠€(gè)領(lǐng)域擁有具有巨大的應(yīng)用前景。然而，目前碳納米管的這些優(yōu)異性質(zhì)尚未被廣泛有效地開(kāi)發(fā)利用，這是因?yàn)樵S多尚未解決的難題的制約。本文針對(duì)碳納米管在實(shí)際應(yīng)用中的兩個(gè)難題，分別是單壁碳納米管優(yōu)異的電子學(xué)性能的應(yīng)用受其金屬型與半

2、導(dǎo)體型混雜的生長(zhǎng)方式的制約;以及在碳納米管作為人工肌肉的應(yīng)用中，與這個(gè)領(lǐng)域其它當(dāng)代的材料技術(shù)一樣存在的諸如響應(yīng)速度不高，應(yīng)變或應(yīng)力過(guò)低，循環(huán)壽命不夠，驅(qū)動(dòng)滯后響應(yīng)，依賴于電解質(zhì)溶液以及使用溫度區(qū)間狹窄等問(wèn)題。我們?cè)O(shè)計(jì)并研究了以下課題，期望能夠解決這些難題，并幫助推動(dòng)碳納米管的實(shí)際應(yīng)用:
　　1.二氧化碳輔助電弧法選擇性生成半導(dǎo)體型富集的單壁碳納米管。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在電弧放電反應(yīng)氣氛中引入一定量二氧化碳，可以對(duì)金屬型以及小管徑單壁碳

3、納米管進(jìn)行原位刻蝕，獲得管徑大于1.5 nm，相對(duì)含量為90％的半導(dǎo)體型結(jié)構(gòu)且?guī)缀醪缓瑹o(wú)定型碳雜質(zhì)的單壁碳納米管產(chǎn)物。研究中對(duì)比發(fā)現(xiàn)，使用半導(dǎo)體型富集的單壁碳納米管作為助催化劑，相對(duì)無(wú)選擇性單壁碳納米管，可以更大程度地提高二氧化鈦光催化分解水制氫反應(yīng)的效率。
　　2.碳納米管紡線及其與聚合物的復(fù)合材料作為電、光、化學(xué)響應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)和收縮類型的超強(qiáng)人工肌肉。目前只有很少數(shù)種類的人工肌肉技術(shù)被真正商業(yè)化。其主要原因是由于現(xiàn)有的人工肌肉還存

4、在很多問(wèn)題，具體包括響應(yīng)速度慢、應(yīng)力應(yīng)變低、循環(huán)壽命小、依賴于電解液以及能量轉(zhuǎn)換效率低等等。我們的工作中設(shè)計(jì)制備了一種以碳納米管紡線為主體，聚合物為客體的復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了不需要電解液，并能獲得快速響應(yīng)、大應(yīng)力、大應(yīng)變、高功率的轉(zhuǎn)動(dòng)和收縮類型的人工肌肉。在超過(guò)百萬(wàn)次以上循環(huán)工作后，轉(zhuǎn)動(dòng)和收縮類型的人工肌肉的工作效果都沒(méi)有降低，并且可以達(dá)到平均速度為每分鐘11，500轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)效果;以及當(dāng)響應(yīng)速度為每分鐘1200個(gè)循環(huán)時(shí)，收縮應(yīng)變?yōu)?％的收縮