【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 通過(guò)鍛壓、軋制、擠壓等工藝制備了大尺寸金屬基復(fù)合材料板材、鍛件以及復(fù)雜形狀異型件，為航空航天等領(lǐng)域提供了相關(guān)的大型樣件并獲得認(rèn)可。碳納米管三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建及其功能特性應(yīng)用利用碳納米管優(yōu)良的導(dǎo)電及導(dǎo)熱特性，可有效提高鋰離子動(dòng)力電池的安全性及高功率特性。如碳納米管在電池材料中形成均勻分布的三維導(dǎo)電導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，可將電池高功率放電過(guò)程中產(chǎn)生的熱量及時(shí)傳導(dǎo)到周圍空間，有效降低電芯溫升，并改善動(dòng)力電池內(nèi)部的溫度場(chǎng)均勻性，最終提高電池的安全性及電池組放電過(guò)程的一致性。碳納米管的高導(dǎo)電性還可有效降低電極材料顆粒間的極化，提高動(dòng)力電池的高功率放電特性。同時(shí)由于碳納米管具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，在高容量負(fù)極材料中形成三維柔性網(wǎng)絡(luò)可有效抑制其體積效應(yīng)，從而能夠在保持高容量的同時(shí)改善其循環(huán)性能。因此，碳納米管復(fù)合電極材料的設(shè)計(jì)思路可行。本項(xiàng)目提出采用機(jī)械融合方法制備碳納米管復(fù)合電極材料，該方法是利用機(jī)械力將一種材料鑲嵌在另一種材料表面，特別適合于少量納米材料（如碳納米管）與微米級(jí)基體（如人造石墨或磷酸鐵鋰）的復(fù)合過(guò)程，且其界面結(jié)合好。影響碳納米管薄膜透明導(dǎo)電性的關(guān)鍵因素包括碳納米管本身的光電特性、碳納米管間的接觸電阻及二維輸運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。本項(xiàng)目中碳納米管導(dǎo)電屬性可控制備及分離研究組可提供導(dǎo)電屬性單一的碳納米管，而碳納米管的單分散技術(shù)為充分發(fā)揮碳納米管優(yōu)異性能構(gòu)建有效網(wǎng)絡(luò)提供了重要保障。本項(xiàng)目提出的采用酸氧化和氫鹵酸還原的方法，可獲得高度分散的單壁碳納米管。即對(duì)碳納米管表面進(jìn)行官能化處理，使其表面帶上與分散介質(zhì)相容性好的官能團(tuán)，不僅可以提高其在介質(zhì)中的分散性，而且成型后經(jīng)還原處理去除官能團(tuán)可恢復(fù)碳納米管的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能。因此碳納米管的可逆表面官能化是實(shí)現(xiàn)碳納米管單分散并保持其優(yōu)異物性的有效方法。在此基礎(chǔ)上優(yōu)選特定結(jié)構(gòu)和性能的碳納米管，構(gòu)建具有優(yōu)化結(jié)構(gòu)的碳納米管薄膜，再經(jīng)還原處理提高其導(dǎo)電性，可望同時(shí)獲得高導(dǎo)電性和高透明性。柔韌性決定了碳納米管薄膜能否在柔性器件中獲得應(yīng)用。影響碳納米管薄膜柔韌性的關(guān)鍵是碳納米管膜與柔性基體的粘附性。擬通過(guò)調(diào)整分散液和基材的表面張力，在充分潤(rùn)濕的情況下使碳納米管導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)充分鋪展，來(lái)提高碳納米管與基體的附著力；同時(shí)還可通過(guò)熱壓、添加粘結(jié)劑、微波加熱等方法來(lái)改善粘附性。本項(xiàng)目組最近采用熱壓方法制備的與柔性基體結(jié)合的碳納米管薄膜，經(jīng)過(guò)10000次的反復(fù)彎折實(shí)驗(yàn)后，薄膜的表面電阻幾乎沒(méi)有變化。因此通過(guò)改善碳納米管與基體的粘附力提高薄膜柔韌性的路線是可行的。（四）課題設(shè)置針對(duì)當(dāng)前碳納米管研究領(lǐng)域中的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題，即碳納米管的導(dǎo)電屬性和手性控制、碳納米管的低成本大批量可控制備及碳納米管的規(guī)?；瘧?yīng)用，本項(xiàng)目設(shè)置以下四個(gè)課題，即：課題一，碳納米管的導(dǎo)電屬性與手性控制制備方法及原理研究；課題二，面向規(guī)模應(yīng)用的碳納米管低成本批量制備及分離技術(shù)研究；課題三，碳納米管復(fù)合材料關(guān)鍵制備技術(shù)及規(guī)?；瘧?yīng)用研究；課題四，碳納米管在鋰離子動(dòng)力電池及柔性光電器件中的應(yīng)用研究。本項(xiàng)目集中了國(guó)內(nèi)碳納米管研究領(lǐng)域的主要優(yōu)勢(shì)團(tuán)隊(duì)，結(jié)合各自研究基礎(chǔ)和優(yōu)勢(shì)，既有明確課題分工，又相互合作與聯(lián)系，以保證本項(xiàng)目的順利實(shí)施，并力爭(zhēng)突破碳納米管研究中可控制備和實(shí)際應(yīng)用這兩個(gè)瓶頸問(wèn)題。本項(xiàng)目所設(shè)四個(gè)課題之間既相互獨(dú)立又有機(jī)關(guān)聯(lián)：課題一主要進(jìn)行碳納米管的導(dǎo)電屬性和手性控制制備與生長(zhǎng)機(jī)制等研究，其結(jié)果將為課題二中碳納米管的低成本、宏量可控制備技術(shù)的建立提供指導(dǎo)和借鑒；課題二重點(diǎn)針對(duì)課題三和課題四應(yīng)用研究對(duì)碳納米管的特殊要求，規(guī)模制備具有特定結(jié)構(gòu)的碳納米管，為課題三、課題四碳納米管的應(yīng)用研究提供材料保障；課題三和課題四均為面向國(guó)家重大需求，開(kāi)展碳納米管的規(guī)模應(yīng)用研究，對(duì)碳納米管的結(jié)構(gòu)和性能提出具體的要求，從而為課題一、課題二的控制制備研究指引方向。此外，碳納米管的規(guī)?；瘧?yīng)用研究必將成為碳納米管制備研究的重要?jiǎng)恿蜖恳⑼苿?dòng)碳納米管研究領(lǐng)域的整體發(fā)展。課題一：碳納米管的導(dǎo)電屬性與手性控制制備方法及原理研究 研究目標(biāo)： 建立和發(fā)展碳納米管導(dǎo)電屬性及手性控制制備方法。 獲得導(dǎo)電屬性或手性均一的碳納米管，為其性能研究和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。 揭示碳納米管的生長(zhǎng)機(jī)制和可控生長(zhǎng)原理。主要研究?jī)?nèi)容：在制備過(guò)程中原位施加電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度擾動(dòng)、光輻照等外場(chǎng)耦合，考察其對(duì)碳納米管導(dǎo)電屬性選擇性的影響，并探討相關(guān)機(jī)理。以切短的單壁碳納米管、富勒烯分子和有機(jī)合成的碳碗結(jié)構(gòu)等作為催化劑，采用碳“端帽”導(dǎo)向生長(zhǎng)方法，制備手性均一的碳納米管。發(fā)展宏量制備單一導(dǎo)電屬性或手性單壁碳納米管的方法。通過(guò)調(diào)控金屬或非金屬催化劑的結(jié)構(gòu)、組成、形貌等控制單壁碳納米管的微觀結(jié)構(gòu)。建立在透射電鏡及激光拉曼光譜下原位研究碳納米管生長(zhǎng)過(guò)程的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究碳納米管在生長(zhǎng)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)演變規(guī)律。計(jì)算模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合，闡釋碳納米管的結(jié)構(gòu)控制生長(zhǎng)原理。主要承擔(dān)單位：xxx課題負(fù)責(zé)人：xxx經(jīng)費(fèi)比例：%課題二：面向規(guī)模應(yīng)用的碳納米管低成本批量制備及分離技術(shù)研究研究目標(biāo)：建立高活性、高效率定向催化生長(zhǎng)碳納米管的有序結(jié)構(gòu)催化劑的設(shè)計(jì)原理和制備方法。構(gòu)建低成本、連續(xù)化規(guī)模制備碳納米管的反應(yīng)器及其配套體系。發(fā)展高純度、超直碳納米管及其陣列的批量（千噸級(jí)/年）制備技術(shù)。 發(fā)展碳納米管的宏量分離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)金屬性/半導(dǎo)體性單壁碳納米管的分離。主要研究?jī)?nèi)容：設(shè)計(jì)與合成用于碳納米管定向、高效生長(zhǎng)的有序結(jié)構(gòu)納米層狀金屬催化劑。設(shè)計(jì)多級(jí)逆流變徑流化床反應(yīng)器，研究該反應(yīng)器內(nèi)碳納米管的生長(zhǎng)規(guī)律、工藝優(yōu)化及在線監(jiān)控技術(shù)。研究大尺寸多級(jí)逆流變徑流化床反應(yīng)器中氣固流體力學(xué)對(duì)CVD法生長(zhǎng)碳納米管的影響規(guī)律。建立宏量碳納米管的純度及有序度的綜合評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)模制備高純度碳納米管及高導(dǎo)電、導(dǎo)熱碳納米管和鯡魚(yú)骨狀碳納米管。研究分散劑和多孔凝膠分離介質(zhì)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)對(duì)不同導(dǎo)電屬性碳納米管的分離效率的影響，實(shí)現(xiàn)單壁碳納米管導(dǎo)電屬性低成本、高純度的宏量分離。主要承擔(dān)單位：xxx課題負(fù)責(zé)人：xxx經(jīng)費(fèi)比例：%課題三：碳納米管復(fù)合材料關(guān)鍵制備技術(shù)及規(guī)?；瘧?yīng)用研究研究目標(biāo)：建立碳納米管的分散方法，實(shí)現(xiàn)碳納米管在橡膠、鋁合金等基體中的均勻分散。揭示碳納米管與輕金屬及橡膠的界面耦合作用，建立可靠的碳納米管/金屬及碳納米管/橡膠復(fù)合技術(shù)。闡明碳納米管在復(fù)合材料中的強(qiáng)化機(jī)制。制備出高性能碳納米管復(fù)合飛行器成像系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)件及汽車輪胎樣件，推動(dòng)碳納米管的實(shí)用化。主要研究?jī)?nèi)容：采用化學(xué)改性、攪拌摩擦加工及變形加工技術(shù)制備碳納米管/金屬和碳納米管/橡膠復(fù)合材料。利用XRD、電子顯微分析及拉曼光譜等手段研究碳納米管、預(yù)制體及復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)碳納米管本征特性、缺陷、雜質(zhì)與分布排列等對(duì)復(fù)合材料性能的影響進(jìn)行表征與評(píng)價(jià)，探討復(fù)合材料的工藝/質(zhì)量可控性?？疾鞆?fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)演化，建立性能特征譜圖，研究復(fù)合材料在外場(chǎng)作用及多因素交互作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)行為與失效行為，建立材料組織與性能的本構(gòu)關(guān)系。根據(jù)組織性能的本構(gòu)關(guān)系，優(yōu)化復(fù)合材料的制備工藝，設(shè)計(jì)制備一系列復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化，考察碳納米管的強(qiáng)化機(jī)制。開(kāi)發(fā)碳納米管復(fù)合材料飛行器成像系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)件及汽車輪胎樣件。主要承擔(dān)單位：xxx課題負(fù)責(zé)人：xxx經(jīng)費(fèi)比例：21%課題四：碳納米管在鋰離子動(dòng)力電池及柔性光電器件中的應(yīng)用研究研究目標(biāo)：獲得高安全性、高功率特性碳納米管復(fù)合電極材料的優(yōu)化結(jié)構(gòu)及制備方法。研制基于碳納米管復(fù)合電極材料的高功率型鋰離子電池，并推動(dòng)其在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用。建立碳納米管結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電屬性等與其薄膜透明導(dǎo)電性的關(guān)系，闡釋碳納米管的透明導(dǎo)電機(jī)制。發(fā)展單分散碳納米管的再組裝成膜方法，制備大面積碳納米管透明導(dǎo)電薄膜，推動(dòng)其在柔性顯示器中的應(yīng)用。主要研究?jī)?nèi)容：研究碳納米管在復(fù)合電極中的分散特性、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及界面結(jié)合情況，采用機(jī)械融合等方法制備高功率特性、高安全性和高能量密度的碳納米管復(fù)合電極材料?？疾焯技{米管復(fù)合電極材料的電化學(xué)儲(chǔ)鋰特性，建立碳納米管對(duì)鋰離子電池首次效率、可逆容量和大電流放電性能等的影響規(guī)律。研究碳納米管對(duì)鋰離子電池高功率放電過(guò)程中電芯溫度場(chǎng)分布和電池安全性的影響，考察碳納米管提高鋰離子動(dòng)力電池安全性及功率特性的機(jī)制。開(kāi)發(fā)基于碳納米管復(fù)合電極材料的電動(dòng)汽車用鋰離子電池，并開(kāi)展其應(yīng)用研究。研究弱酸氧化碳納米管及其單分散技術(shù)，發(fā)展碳納米管的再組裝成膜與氫鹵酸還原方法。研究碳納米管的結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電屬性、分散度、成膜工藝等對(duì)薄膜性能的影響，優(yōu)選碳納米管薄膜的制備技術(shù)，制備大面積碳納米管薄膜，開(kāi)展其作為柔性顯示器透明電極的應(yīng)用研究。主要承擔(dān)單位：xxx課題負(fù)責(zé)人：xxx經(jīng)費(fèi)比例：26%四、年度計(jì)劃年度研究?jī)?nèi)容預(yù)期目標(biāo)第一年 以SiOC60、短切的碳納米管、BN等非金屬作為催化劑生長(zhǎng)碳納米管。 建立準(zhǔn)確、可靠的碳納米管導(dǎo)電屬性表征方法和平臺(tái)。 通過(guò)原位施加電場(chǎng)、磁場(chǎng)、光輻照、氧化等選擇性生長(zhǎng)金屬性或半導(dǎo)體性碳納米管。 以蛭石、水滑石、棒狀纖維及球形顆粒等有序結(jié)構(gòu)為載體制備金屬組分高分散度的催化劑。 優(yōu)化乙烯或甲烷等碳源,溫度,壓力等生長(zhǎng)條件，實(shí)現(xiàn)小批次的不同壁數(shù)的碳納米管的定向生長(zhǎng)。 建立高分辨透射電鏡與化學(xué)吸附結(jié)合的手段研究催化劑分散度的表征方法與平臺(tái)。 宏量分離不同導(dǎo)電屬性碳納米管的裝置建立。 研究橡膠與碳納米管水相納米復(fù)合的方法及其機(jī)理，主要包括碳納米管表面有機(jī)化方法以及碳納米管橡膠乳液懸浮混合體系絮凝動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究。 研究水相分散和乳液共混過(guò)程中介質(zhì)與工藝對(duì)碳納米管表面結(jié)構(gòu)及分散性影響，并與傳統(tǒng)粉末冶金工藝中的分散技術(shù)比較； 對(duì)傳統(tǒng)粉末冶金法與乳液共混后再行制備的碳納米管金屬?gòu)?fù)合材料進(jìn)行攪拌摩擦加工與塑性加工，對(duì)碳納米管結(jié)構(gòu)及其分散進(jìn)行研究比較。1 研究碳納米管的結(jié)構(gòu)參數(shù)、加入量、搭接狀態(tài)、網(wǎng)格密度等對(duì)復(fù)合電極材料物理和電化學(xué)性能的影響。1 開(kāi)展碳納米管后處理工藝研究，研究處理?xiàng)l件對(duì)電極材料功率特性和安全性的影響。1 研究碳納米管三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的聲子、電子和離子輸運(yùn)特性以及熱傳導(dǎo)、熱傳質(zhì)過(guò)程，考察電