銅基體上原位合成碳納米管(纖維)及其復(fù)合材料的性能.pdf

1、以碳納米管(CNTs)為首的碳納米材料因其優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)等特性自發(fā)現(xiàn)以來就受到了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。CNTs和碳納米纖維(CNFs)被認(rèn)為是發(fā)展高性能金屬基復(fù)合材料的理想增強(qiáng)體。要發(fā)揮CNFs的優(yōu)異性能，關(guān)鍵是獲得結(jié)構(gòu)完好的CNFs在金屬基體中均勻分散且與基體之間界面結(jié)合良好，而傳統(tǒng)的金屬基復(fù)合材料制備技術(shù)難以滿足上述要求，因此，尋求新的制備技術(shù)以克服現(xiàn)有方法的不足，是發(fā)展高性能CNFs增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的關(guān)鍵。
　　 本

2、文首次采用原位合成和化學(xué)共沉積相結(jié)合的方法制備了CNFs(Ni/Y)/Cu復(fù)合材料。即首先在Cu基體上獲得均勻分布的活性催化劑粒子，并采用化學(xué)氣相沉積法(CVD)原位合成分布均勻、含量可控的CNFs，然后將此原位復(fù)合粉末與銅離子一起共沉積，得到CNFs分布均勻且大部分進(jìn)入Cu顆粒內(nèi)部的CNF-Cu復(fù)合粉末，最后利用粉末冶金法制備復(fù)合材料。
　　 采用沉積-沉淀工藝在Cu粉基體上成功研制了系列新型Ni/Y和Ni/Ce復(fù)合催化劑。研

3、究了催化劑制備和CVD合成工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)量、結(jié)構(gòu)和形貌的影響，探討了催化劑的催化本質(zhì)和不同結(jié)構(gòu)碳產(chǎn)物的生長機(jī)制。研究表明，Y和Ce能夠穩(wěn)定催化劑結(jié)構(gòu)，保持催化劑活性；Y含量越高，催化劑越穩(wěn)定；當(dāng)WNi∶WY=2:1，Ni(NO3)2·6H2O濃度為0.05mol/L，NaOH濃度為0.23mol/L，煅燒溫度為250℃和400℃各2h，還原溫度為450℃時(shí)，制備的催化劑活性最高；隨著反應(yīng)溫度的升高，摻雜進(jìn)Ni中的Y開始偏聚析出，并導(dǎo)致

4、不同結(jié)構(gòu)碳產(chǎn)物的生成：在較低溫度下，催化劑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，CNFs和CNTs以頂端生長機(jī)制合成，隨著溫度升高，碳原子開始在催化劑中以體擴(kuò)散為主，摻雜進(jìn)催化劑中的Y開始偏聚析出，催化劑失去穩(wěn)定性，當(dāng)Y偏聚析出前，催化劑中的碳達(dá)到過飽和，碳層析出，形成碳包覆Ni或空心碳洋蔥，這種碳洋蔥在一定條件下可形成金屬填充CNTs?；诖?，本研究提出了球-管生長機(jī)制，當(dāng)Y偏聚析出時(shí)，催化劑中的碳未達(dá)到過飽和時(shí)，基體銅開始向催化劑中擴(kuò)散形成合金，當(dāng)催化劑中的碳

5、達(dá)到過飽和后，碳層析出形成碳包覆Cu-Ni合金的碳洋蔥。析出的Y2O3團(tuán)聚于碳洋蔥或CNFs的表面。
　　 采用化學(xué)共沉積將原位合成的CNFs和銅再次混合后，CNFs在基體中分布均勻，且大部分CNFs進(jìn)入Cu顆粒內(nèi)。將制得的復(fù)合粉末采用真空熱壓工藝制備了CNFs(Ni/Y)/Cu復(fù)合材料。研究了CNFs純度和粉末冶金工藝對(duì)復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)與性能的影響，獲得了優(yōu)化的工藝參數(shù)，同時(shí)研究了CNFs含量對(duì)復(fù)合材料性能和微觀組織的影響，并

6、探討了復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)理。結(jié)果表明，CNFs能顯著提高復(fù)合材料的硬度和屈服強(qiáng)度，降低復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)；當(dāng)加入經(jīng)800℃熱處理純化的3.4wt.％CNFs時(shí)，復(fù)合材料的硬度和屈服強(qiáng)度分別是純銅的2倍和3.6倍，即使CNFs含量達(dá)到5.7wt.％時(shí)，復(fù)合材料中的CNFs未發(fā)現(xiàn)明顯團(tuán)聚，復(fù)合材料的屈服強(qiáng)為448MPa，是純銅的2.8倍，CTE(30-200℃)為10.1*10-6/℃，是純銅的57.7％。復(fù)合材料強(qiáng)度的提高主要是