Synthesis of CNT-metal oxide nanocomposites: sol-gel process, rheology, structural and functional properties

Date

2014-03-31

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Publisher

Abstract

Antud töö käsitleb materjaliteaduses väga aktuaalset teemat – kahe (või enama) erineva materjali sidumist üheks liit(komposiit)materjaliks selliselt, et säilivad mõlema algmaterjali parimad omadused. Saadud materjalide kasutamiseks praktilistes rakendustes on oluline, et saadud komposiitmaterjale oleks võimalikult lihtne vormida väga erineva geomeetrilise kujuga struktuurideks (pinnakatted, fiibrid, monoliidid, jne.). Käesoleva töö eesmärgiks oli seatud sool-geel meetodil valmistatud oksiidsete mikro- ja nanostruktuuride moodustumise mehhanismide uurimine, sellistesse struktuuridesse süsiniknanotorude viimise metoodika väljatöötamine ning saadud struktuursete komposiitmaterjalide omaduste uurimine. Sool-geel meetodil saadavate geelstruktuuride moodustumist mõjutavad kõige enam kasutatava sooli viskoossus ja reoloogilised parameetrid. Sooli viskoossus sõltub omakorda temas sisalduvate osakeste mõõtmetest ning omadustest. Erinevaid mõõtemeetodeid kasutades leiti, et termiliselt töödeldud ning hüdrolüüsitud alkoksiidide soolid sisaldasid keskmiselt 4 nanomeetrit pikki ja 2 nanomeetrilise läbimõõduga piklike osakesi. Metallialkoksiidide ja neist valmistatud soolide reoloogilised mõõtmised näitasid, et need käituvad nagu tüüpilised anomaalviskoossusega vedelikud. Süsiniknanotorude lisamisel metallialkoksiidide soolidesse vähenes materjali viskoossus. Käesoleva doktoritöö käigus töötati välja mitu meetodit erinevate struktuuride valmistamiseks viskoossetest metallialkoksiidide soolidest. Näidati, et on võimalik valmistada fiibreid pikkuse ja diameetri suhtega kuni 10 000 ning minimaalse diameetriga 200 nanomeetrit. Demonstreeriti, et lähteaine ning ümbritseva keskkonna omadusi optimeerides ja metalli alkoksiidist tõmmatud joa katkemist ära kasutades on võimalik valmistada väga väikese tipuraadiusega oksiidseid teravike. Samuti näidati, et kasutades nn. modifitseeritud määrimismeetodit, on kõrge viskoossusega lähtematerjalidest võimalik valmistada struktuurseid kilesid ja/või siledaid kilesid paksusega kuni mõni mikromeeter. Lisaks eelnevale demonstreeriti, et materjali joaks tõmbamine orienteerib nanotorusid tõmbamise suunas. Kõige parema elektrijuhtivusega (10 S/m) olid materjalid, millesse oli lisatud 1 massi % süsiniknanotorusid. Demonstreeritud meetod süsiniknanotorudega dopeeritud komposiitmaterjalide valmistamiseks võimaldab formeerida väga erineva geomeetriaga struktuure väga erinevate metallide oksiididest.
Integration of two naturally very different classes of materials to bring out their best properties, while “cancelling” their worst ones, to make a better material is one of the main challenges of modern material science. The thesis deals with the synthesis and characterization of composite materials based on metal oxides and carbon nanotubes. The goal of this dissertation was to study formation mechanisms of oxide nano- and microstructures from metal alkoxides by sol-gel methods, and to search for ways to increase their electrical properties by doping with carbon nanotubes. Viscosity and rheological properties of metal alkoxide sols are the main parameters responsible for formation of the specific shape of oxide structures via sol-gel processes. Sol precursor’s viscosity in turn is affected by the sol particle size, in this study evaluated to be approximately 4 nm in length and 2 nm in diameter. Multiple metal alkoxides polymerization-condensation processes and the corresponding materials properties were investigated and characterized. The best spinnability conditions, i.e. material ability to form liquid thread, were also determined for different metal alkoxides. Rheological tests proved that the metal alkoxide precursors behave as typical non-Newtonian fluids. Rheological studies of precursors doped with carbon nanotubes demonstrated unusual decreasing of viscosity. During this Ph. D. study, preparation of structures with different shapes was demonstrated. Metal oxide fibers with a high aspect ratio of up to 10 000 and as small as 200 nm were drawn from different concentrated metal alkoxide precursors. The pinching-off of alkoxide based jets in air was demonstrated as a reproducible route for preparing nanometer level sharp oxide needles. Also, it was also shown that the modified tape casting can be used to prepare either smooth and/or linearly structured sol–gel films from high-viscosity sol. Using pristine CNTs and metal alkoxides, it was demonstrated that pulling concentrated alkoxide/CNT viscous threads orients the nanotubes inside the matrix. At 1% CNT loadings, the final CNT reinforced CMC material electrical conductivity was measured to be in the range of 10 S/m. Demonstrated method is applicable to obtain a variety of shapes from CNT reinforced CMCs with different metal oxide matrices.

Description

Väitekirja elektrooniline versioon ei sisalda publikatsioone.

Keywords

süsiniknanotorud, metalloksiidid, keemiline süntees, füüsikalised omadused, carbon nanotubes, metal oxides, chemical synthesis, physical properties

Citation