碳纳米管(CNTs)是一种具有独特结构的新型纳米级碳材料,其优异的物理、化学特性使得它在力学、电学、光学及电化学等方面都有着潜在的应用前景。因此碳纳米管在现代复合材料的应用领域中占有极其重要的地位。为了进一步改善其性能和扩大这类复合材料的应用范围,各种功能化的碳纳米管材料已被广泛研究。为了进一步增强其电/热传导性能,将碳纳米管与其它具有高电/热传导性的材料(如镍和铁及其化合物)相结合,是目前备受关注的一种有效方法。另外,取向碳纳米管和碳纳米管束也是这方面受到关注的材料。取向的碳纳米管可以使复合材料各向异性,并进一步提高取向方向的导热性和导电性能。因此,本文选用了这两种类型的特殊碳纳米管材料进行研究。由于碳纳米管具有极其复杂的形貌,并且管间存在很强的范德华力,导致它们在水或有机溶剂中分散性极差,难以制备稳定的分散体系。因此在基体(聚合物/树脂)中均匀分散碳纳米管,并实现颗粒尺寸均匀且稳定的混合体系是比较困难的。也就是说,碳纳米管的难分散性是限制它在实际中应用的关键性问题。尤其是特殊种类的碳纳米管,其分散性就更为复杂。目前对于这类特殊种类碳纳米管分散性能的研究还相对比较缺乏。目前,碳纳米管的分散方法主要包括:机械分散,超声波分散,化学修饰,分散剂分散,聚合物辅助分散及金属粒子修饰法。这些方法都有其各自的特点及适用范围。其中一些方法(例如:化学和超声波处理)会破坏碳纳米管的结构。在长时间的超声波处理中,碳纳米管的外石墨层逐渐剥离、变短、变薄,最终转化成无定形碳。化学方法所造成的破坏比超声波处理更大。超声波分散适合低粘度混合体系,而机械分散适用于固体颗粒或高粘度的混合体系。目前,通过这些常见的分散方法仍然难以达到理想的分散效果。为了得到更好的分散效果,我们使用了多种分散手段相结合的组合方法。首先,使用超声波法将碳纳米管分散在溶液中,以形成稳定的碳纳米管分散液。然后将碳纳米管分散液加入到树脂中,用超声波和机械方法分散。在此过程中使用分散剂和聚合物辅助,进一步改善分散的效果。由此可见,在整个制备复合材料的工艺流程中,第一步将碳纳米管在溶液中溶解的分散效果是极为重要的。它是碳纳米管进一步分散到基质(树脂/聚合物等)中的基础,也是碳纳米管复合材料成品性能的保障。本文在对分散性能的研究上,主要针对几个关键的问题。其一是超声过程中温度带来的不利影响。超声分散不可避免地会产生热量,而在整个超声过程中产生的热量都会加重分子的热运动,容易引起碳纳米管的二次团聚。尤其是一些难分散的特殊种类的碳纳米管往往需要更长时间的超声处理,这就使得热量引起的团聚问题更为明显。为了研究温度对碳纳米管分散性的影响,我们开发了一种温度控制系统,并将其附连到本研究中所用的水浴超声波分散设备上。分别在控制温度和未控制温度条件下,对碳纳米管的分散性能进行了对比研究。结果表明,虽然几种碳纳米管对于温度的敏感性有所不同,而对于温度敏感度高的碳纳米管更需要在严格控制温度的条件下才能达到更好的分散效果。但通过使用自制的温度控制系统都可以有效地消除温度对超声波分散处理的负面影响。其二是结合金属纳米粒子的碳纳米管材料本身的特性给分散过程带来的复杂性。引入不同的金属纳米颗粒使得碳纳米管的形态有所变化,并且这些金属材料对温度的敏感性也不同,从而使得整个分散过程变得更加复杂。对此,我们针对结合了不同金属粒子(ni和fe)的多壁碳纳米管,研究了它们在水/丙酮溶液中的分散性能,使用紫外可见分光光度计测定了其分散程度。并使用场发射扫描电子显微镜(fe-sem)及数字图像处理技术对碳纳米管的形貌和分散度进行了表征。分别就分散剂(十二烷基苯磺酸钠(sdbs)、油酸和聚合物(tnedis))种类、分散剂用量对结合了金属粒子的碳纳米管的分散性能的影响进行了研究,并与未处理的普通碳纳米管进行了对比。其结果表明,tnedis、十二烷基苯磺酸钠和油酸的分散效果依次递减;未处理的碳纳米管、镀镍的碳纳米管和铁包覆碳纳米管分散性能依次递减。另外,由于金属镀层使得碳纳米管更硬、更脆,结合了金属粒子的碳纳米管在超声波分散处理过程中容易发生断裂。其三是本身自带取向的碳纳米管束材料的特性给分散过程带来的复杂性。取向碳纳米管的复合材料可通过对生长后的碳纳米管进行取向或者通过使用碳纳米管束来制备。后取向工艺往往要求严格的加工条件(高压电场/高强度磁场等)。而自身带有取向的碳纳米管在分散过程中的形态变化较普通碳管更为复杂,取向程度在分散过程中也一再变化。其分散程度与取向程度的变化过程以及二者之间的关系与平衡是本文所关注的问题。机械、超声分散都会大大影响高度定向碳纳米管束的形态结构。在分散同时,碳纳米管束的粒径会逐渐变小,取向的程度会有所降低。然而,目前对于取向碳纳米管束在整个超声分散过程中形态的变化及其与分散程度的关系尚不清晰。对此,我们使用场发射扫描电子显微镜,研究了整个超声分散过程中,高度取向的多壁碳纳米管束(amwnts)在水/丙酮溶液中的分散和取向以及碳纳米管的形态。我们还使用紫外可见分光光度计来研究整个过程中分散程度的变化,并且将取向碳纳米管束的分散性与普通多壁碳纳米管进行了比较。此外还研究了其它因素对取向碳纳米管分散性能的影响,如分散剂的类型和用量等。本文还对碳纳米管分散性能的量化表征方法进行了研究。定义了分散度:分散度是定量研究碳纳米管分散性能的重要参数,用于综合评价碳纳米管的整体分散性能。分散度与研究对象(纳米粒子、碳纳米管等)的聚集程度有关。聚集程度越高,它的分散度就越低。分散度也往往与研究对象的尺寸/形状以及在系统(集聚vs单分散系统)中的分布有关。由前述可知,在目前的多种碳纳米管分散技术中,分散的效果(分散度)由分散条件而各自不同,并且很大程度上决定碳纳米管复合材料的性能。这种复杂性使碳纳米管的形态和复合材料的性能之间的关系难以定量分析。碳纳米管分散程度的量化表征是解决这一问题的关键。在目前的多种表征方法中,扫描电子显微镜(sem)、透射电子显微镜(tem)和原子力显微镜(afm)是目前最常用的、直观的和令人信服的方法。在相关领域的几乎所有研究中,都不可避免地使用到了以上几种显微图像表征方法。然而,它们都具有非定量的缺点。这就使得对这个必要表征的利用价值的挖掘显得不够深入。为了克服这个缺点,我们提出了两种对显微图像中的碳纳米管的分散度进行量化表征的方法。第一种方法是基于分形理论的计算方法。分形方法是一种获得不规则复杂的图像(如sem、tem和afm照片)定量参数的快速、简单的方法。碳纳米管在溶液/基质/膜材料中的分散具有分形特征。目前,计算分形维数的方法有很多种。常用的方法包括盒维数算法,差分盒子维法以及分形布朗运动算法等。但是,在这些算法中,各自适用的研究对象、代表的物理意义以及所获得的分形维数和分散性能之间的对应关系都有所不同。例如有些研究得出分形维数越大分散性能越好,有些研究得出分形维数越小分散性能越好。貌似矛盾的结论容易使人产生困惑。而在这些不同的研究中,由于使用的计算方法不同,研究对象不同,而无法放在一起进行比较。因此,有必要建立统一的评价体系,使用相同的研究对象,探讨分形的不同算法在用于对分散性进行表征时,其计算结果及分析过程的差异。在基于分形理论的方法中,我们分别使用盒子计数法和差分盒子计数法来定量研究碳纳米管的分散性能,并与主观观察sem图片、紫外分光光度计表征、激光粒度仪表征得出的结果相互印证。第二种方法是基于数字图像处理的表征方法。我们把这种定量表征碳纳米管分散程度的新方法称为分级网格法。这种分级网格方法可以作为辅助、补充的表征方法,并且可以与分形计算方法进行结合。通过上述方法的组合使用,能够更详细而准确地对碳纳米管的分散性能进行定量分析,也能够使得分散程度定量表征的准确性和有效性得到改善。取向度同样是定量研究碳纳米管复合材料性能的重要参数。本文对碳纳米管取向程度的定量表征方法进行了研究。定义了取向度:取向度是表征碳纳米管方向排列一致程度的相关参数,与材料的各向异性程度有关。本文提出两种方法对图像中碳纳米管的取向度进行量化表征。第一种方法是基于微积分思想的图像测量法。对碳纳米管取向的模型及参数进行了简化,并设计了一种易于操作的量化测量碳纳米管取向度的程序,可以对碳纳米管的取向方向和取向程度进行量化表征。通过单张载入图片,比例尺转换,测量碳纳米管的方向角度和长度两个参数,既可以即时直观显示在图片上,也可自动保存为EXCEL文件并进行进一步的计算。并通过该程序对碳纳米管不同取向程度的示意图和SEM图分别进行了处理,得到了准确度较高的结果。第二种方法是基于二维傅立叶变换的等值线处理法。首先使用二维傅立叶变换方法对碳纳米管图片进行处理,得到的频谱图用数字图像处理方法绘制出等值线,对等值线进一步进行计算得出碳纳米管取向程度的定量信息。包括碳纳米管的主取向方向和碳纳米管的取向程度(取向度)。同样的,将两种方法相结合,还可以更好更准确地对图像中碳纳米管的取向性能进行量化表征。本文的数字图像处理方法与相关计算均使用MATLAB平台,通过自行编写程序实现。碳纳米管的分散和取向在实际应用领域中都具有非常重要的应用价值和研究意义。本文以复合材料的导电性为例,说明了碳纳米管的分散和取向对复合材料导电性能的影响。本文将结合不同金属粒子的多壁碳纳米管与环氧树脂相混合,制备了碳纳米管-环氧树脂复合材料,并对其分散性能和导电性能进行了研究。在复合材料制作过程中加入电场和磁场,利用电场、磁场对碳纳米管进行取向,研究了电场、磁场取向对复合材料导电性能的影响。其结果表明,改善碳纳米管的分散性,能够使所制得的复合材料的导电性能有所提高。而对碳纳米管进行取向,要比不取向的碳纳米管所制得的复合材料的导电性有所提高。