镍磷纳米碳管化学复合镀层的力学性能研究

摘要

纳米科技是20世纪80年代末刚刚产生并正在崛起的新技术,纳米材料是纳米科技发展的物质基础。纳米材料中纳米碳管因具有独特的结构和优异的性能,而成为世界性的纳米材料领域研究的前沿和热点之一。论文一方面进行纳米碳管的制备和镍磷-纳米碳管复合镀,研究纳米碳管对镀层组织、结构和力学性能的影响;另一方面从理论上用量子化学方法研究纳米碳管与镍磷基体间的界面结构,用有限元方法分析复合镀层在单向拉伸时的细观力学行为,以探讨该复合镀层的有关理论和应用前景,所得结果具有重要的理论意义和应用参考价值。研究表明:用氨气作还原气体,以硝酸镍为原料,制备镍催化剂的最佳温度范围为700℃-800℃;而用氢气作为还原气体制备催化剂的最佳温度为600℃-700℃。氨气兼有载气和还原气体的双重作用。以氨气、乙炔为气源可以采用一步法制备纳米碳管,简化工艺和设备。和非晶态的Ni-P镀层相比,纳米碳管的加入使镀层发生了由非晶向纳米晶的转化。这是因为镀液中有纳米碳管时,对磷有捕获作用,使镀层中的磷向纳米碳管偏聚。纳米碳管的加入,使镀层表面呈颗粒状,纳米碳管的含量越高,粒状物越小,密度越大。对Ni-P-CNTs复合镀试样的拉伸实验研究表明,Ni-P合金镀层断口为平整光滑的与拉伸方向垂直的脆性断口。随着镀层中纳米碳管含量的增加,镀层的韧性增加,断口上出现韧窝。实验中发现了Ni-P-CNTs复合镀层靠近断口的侧面有波纹状的裂纹群,并用有限元法从理论上作出了合理的解释。随CNTs含量的增加,Ni-P-CNTs复合镀试样的硬度、最大延伸率和断面收缩率增加,因此,可以用加入纳米碳管的方法改善复合材料的韧性;而抗拉强度、断裂强度和弹性模量等参数随着纳米碳管含量的增加而降低。实验数据表明,复合镀层的弹性模量Ec,Ni-P镀层的弹性模量Em与纳米碳管的质量分数mn满足以下关系Ec=Em(1-Kmn)式中K为与界面结合强度有关的常数,本实验中其值等于3.3781;针对目前复合材料的强度表达式只考虑基体和增强体的现状,在实验的基础上,本文认为应考虑界面对强度的影响,提出了界面强度因子的概念,此时,对于纤维三维随机分布的复合材料的强度公式为σc=1/4Kσf(1-LC/(2L))Vf+σm*VmLC≤Lσc=K1τL/4dVf+σmVm Lc>L式中K和K1为界面强度因子,它可取正值也可为负值。取正值时,增强纤维起到了增强作用;取负值时,表明增强纤维削弱了基体的强度。用有限元法分析了在单向拉伸条件下,界面为机械结合或物理、化学结合时复合镀层中的应力、应变分布规律。结果表明,最大应力出现在纳米碳管的端部,而最大应变出现在纳米碳管端部相接触的基体中。纳米碳管位向,长度,直径以及纳米碳管和基体的结合强度,都影响应力、应变分布。纳米碳管排成阵列时,在单向拉伸状态下,在靠外侧纳米碳管端部以及和其接触的基体中所对应的应力最大,在靠外侧纳米碳管端部的界面/基体中应变最大;外力作用对靠外侧纳米碳管的影响较大,对内侧纳米碳管的影响较小。对Ni-P-CNTs复合镀层的界面进行的量子化学研究表明,在化学镀过程中,镍、磷和纳米碳管都可以成键,磷原子更容易在纳米碳管周围富集,使磷在纳米碳管周围偏聚。磷、碳键为共价键,镍、碳键部分为共价键,部分为范德华键。镍、磷在纳米碳管缺陷处结合时,键能最大,是Ni-P合金基体与纳米碳管的强结合点,而纳米碳管结构完整的部位,与镍、磷的结合较弱。Ni-P合金基体与纳米碳管之间的界面,为结合比较弱的双原子界面,一侧为碳原子,另一侧为磷或镍原子。

目录

中文摘要

英文摘要

1 绪论

1.1 引言

1.2 纳米碳管的历史和现状

1.2.1 纳米碳管的发现

1.2.2 纳米碳管的制备

1.2.3 纳米碳管的纯化

1.2.4 纳米碳管的性能和应用

1.3 化学复合镀概述

1.3.1 化学复合镀简介

1.3.2 化学复合镀的特点

1.3.3 镍磷纳米碳管化学复合镀研究现状

1.4 量子化学概述

1.4.1 量子化学简介

1.4.2 量子化学的应用

1.5 有限元研究概述

1.6 本文的目的、意义和研究内容

1.6.1 本文研究的目的和意义

1.6.2 本文的研究内容

2 纳米碳管的制备

2.1 催化剂的制备

2.1.1 氨气气氛中催化剂的制备

2.1.2 氢气气氛中催化剂的制备

2.2 纳米碳管的制备

2.2.1 纳米碳管的制备工艺

2.2.2 纳米碳管的纯化

2.2.3 纳米碳管的X射线衍射分析

2.3 分析与讨论

2.4 本章小结

3 镍磷纳米碳管化学复合镀

3.1 引言

3.2 镍磷化学镀和镀液组成

3.3 化学复合镀原理

3.4 镍磷纳米碳管化学复合镀工艺

3.5 镍磷纳米碳管化学复合镀层的金相分析

3.6 镍磷纳米碳管化学复合镀层的扫描电子显微镜分析

3.7 镍磷纳米碳管化学复合镀层的X射线衍射分析

3.8 本章小结

4 镍磷纳米碳管化学复合镀层的力学性能

4.1 镍磷纳米碳管化学复合镀层的拉伸性能

4.1.1 镍磷纳米碳管化学复合镀层的拉伸实验

4.1.2 弹性模量

4.1.3 抗拉强度

4.1.4 断裂强度

4.1.5 最大延伸率和断面收缩率

4.2 镍磷纳米碳管化学复合镀层的断口形貌

4.3 镍磷纳米碳管化学复合镀层的断口侧面形貌

4.4 镍磷纳米碳管化学复合镀层的硬度

4.5 本章小结

5 镍磷纳米碳管化学复合镀层的细观力学

5.1 理论模型

5.2 实体模型的建立

5.3 结果和讨论

5.3.1 纳米碳管和基体机械结合的细观力学

5.3.2 纳米碳管和基体以物理或化学结合的细观力学

5.3.3 有限元分析结果的实验验证

5.4 本章小结

6 镍磷纳米碳管化学复合镀的界面结构

6.1 量子化学计算方法

6.1.1 从头计算法

6.1.2 密度泛函理论

6.2 界面结构的研究模型

6.3 结果和讨论

6.3.1 能量分析

6.3.2 原子净电荷分析

6.3.3 原子重叠集居数分析

6.3.4 原子间键能分析

6.4 本章小结

7 讨论

7.1 镍磷纳米碳管化学复合镀原理

7.1.1 镍磷化学镀的基本原理

7.1.2 镍磷纳米碳管化学复合镀的基本原理

7.2 复合材料的界面强度因子

7.3 界面特性对复合材料力学性能的影响

8 结论、创新点与展望

8.1 主要结论

8.2 论文的主要创新点

8.3 后续研究工作的展望

致谢

参考文献

附录：

1.作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

2.作者在攻读博士学位期间参加的科研项目及得奖情况目录