碳纳米管纤维纺丝机创新设计

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1、第章绪论韧性的作用，从而解决了陶瓷材料的脆性问题”““．碳纳米管在微电于、复台材料方丽的巨大潜力更是难以估量。正如诺贝尔奖技得宅；-Smalley所说：“碳纳米管”将是价格便宜、环境友好井为人类创造奇迹的新材料．被科学家称为“超级纤雏”⋯。碳纳米管纤维是由沿轴向持列的纳米碳纳米管构成的宏观纤维材料，其微观结构类似于由无数细丝组成的棉线，是制备碳纳米管的宏观产物，如图卜2。3·所示。幽卜2碳纳米管纤维示意图12碳纳米管纤维制备及缠绕碳纳米管纤维主要合成方法有电弧法、激光法和气相沉积法(CVD)。在这三种台成方法中，电

2、弧法的成本较高，而激光洁很难应用于大批量的生产中。与这两种方法相比，cV鹏}在较低的温度和常压F就能合成碳纳米管．且台成方法简单，成本也较低。目前应州最广泛的是高温化学气相沉积法，高温化学气相沉积法台成碳纳米管纤维就是从生长碳纳米管的电阻炉中直接制备出宏观肉眼可见尺度的CNT线。这种线一般是成束的碳纳米管互相缠绕在一起形成的，需要配套机构缠绕收集。天津大学李亚利教授在纳米材料研究领域做出了重要突破性研究。他发明的高温气相反应合成连续碱纳米管纤维是一种独特技术，其研究成果申请几以第一作者发表于美国《科学》杂志，并被英

3、国《自然》杂志，美国《科学新闻》，《化学与工程新闻》等众多媒体报导。采用CVD方法台战连续碳纳米管纤维，合成的碳纳米管纤维被安装在石英管后的电机连续地缠绕出柬。实验以乙醇为碳源，二茂铁为催化剂，硫为添加剂配威溶液，将配好的溶液通过注射器注射进石英管-p，在氢气为载气的带动下进入反应匡，制各的碳纳米管纤维被缠绕棒缠绕出。其缠绕机构为垂直于反戍器底部的一个偏移的旋绕的缠绕棒，这样碳纳米管在高温反应区⋯形成就被缠绕棒纺出高温E。第一一章绪论Al““．nfL广】]B‘．fnⅦ．“一-1utilC-[fI,●、、⋯⋯}-(A

4、)从电阻炉中纺出纤维：(B)从电阻炉中直接缠绕出纤维．圈卜3碳纳米管纤维缠绕方洼能纺出连续的碳纳米管纤维，不一定能缠绕出碳纳米管纤维．纺的过程碳纳米管较容易形成连续的细线状纤维，因为纺的过程小仅有一个拉的力，还有一个旋转的力，能将sock状的纤维，变成细线状纤维。但在纺的过程中，碳纳米管纤维一直停留在电阻炉的后端，不能被拉出，产生的无定形碳容易沉积在碳纳米管表面而降低碳纳米管纯度。因此．必须考虑用缠绕的方式将制备的连续碳纳米营连续的缠绕出来。实验室常用的缠绕方式为手工缠绕．如图卜3所示。用缠绕棒放入反应区，手工转动

5、缠绕棒，将纤维缠绕在缠绕棒上，类似于棉花糖生产过程。由于反应温度高，手工缠绕速度1i均匀，该缠绕棒收集出的产物缠绕无规律，不利于后续台成工作。改进后自制机械缠绕系统如图卜3所示。垂直于纤维流方向放置一缠绕棒，甫小电机直接驱动，缠绕系统台成大量宏观长度连续的碳纳米管纤维。电机的转速也要控制在一定的范围内，一般在50一lOOr／min。转速太快产生的纤维的速度跟不上，转速太慢产生的碳纳米管不能及时缠绕出容易粘在石英管管壁上。为防止沉积，在右英管后端的法兰上再装上一个电机，如下图卜4所示，石英管石英管后端的电机的作用是让

6、产生的碳纳米管纤维受到一个旋转气流的作用，这个旋转气流能防止碳纳米管纤维过早沉积在石英管管壁上。即让碳纳米管靠近石英管的后端沉积．这样侧面安装的电机就能将产生的碳纳米管缠绕上。，^卟土¨，第一章绪论12课题来源图卜4改进后石英箭后端本课题来源于天津大学材料学院，国家自然科学基金资助项目(50552001单壁碳纳米营连续纤维台成研究。3课题的研究内容本课题在对现有缠绕机构分析的基础上．利用TRIZ理论创新设计，分析缠绕机构的冲突，建立冲突矩阵，找出解般冲突的方案。结台目前国内纤维缠绕机现状”。，分析纤维缠绕机的类型及

7、结构特点，初步确定采用的运动彤式。针对碳纳米管纤维制备]。艺过程具体分析，通过丹析，初步确定原缠绕机构存在的问题．拟定解决方案。通过方案，确定备零部件机器结构特点，完成零部件制作及产品装配。装配后对运转情况分析．指出进一步改进的方向。奉研究成果可以提高碳纳米营纤维的收集效率，为碳纳沫纤维的制备提供刖靠的收集装置，同样也适用于实验室纤维收集T作。第二量创新设计理论及研究发展2．1创新设计概述第二章创新设计理论及研究进展2．1．1创新与创新设计美籍奥地利经济学家Schumpeter于1912年在《经济发展理论》一书中首

8、次提出创新的概念、技术创新的观点n玎熊彼特在这本著作里首先提出的“创新理论”(Inno-vationTheory)，，“创新，是指新技术、新发明在生产中的首次应用，是指建立一种新的生产函数或供应函数，是在生产体系中引进一种生产要素和生产条件的新组合。他把创新的具体内容概括为以下几个方面：采用新技术：生产新产品；研制新材料；开辟新市场；采用新的组织模式或管理模