类金刚石薄膜/碳纳米管阵列复合材料的制备及其抗冲击性能研究

摘要

碳纳米管以其独特的结构以及优异的力学性能;使其在抗冲击等能量耗散方面有较大的应用前景。与传统抗冲击材料相比;碳纳米管宏观体（如碳纳米管阵列）具有质轻;单位体积耗能大等优点。然而;碳纳米管阵列作为冲击耗能材料也有其存在的问题：当碳管阵列受到正面冲击时;其管间的物理作用力结合不足以将冲击载荷进行横向传递（即管间传递）;因此受冲击区域极易出现应力集中现象;造成冲击区域结构破裂而区域外材料无法有效利用的现象;从而限制了碳纳米管阵列的单位有效耗能。针对上述问题;本论文设计了类金刚石薄膜/碳纳米管阵列复合结构;通过在碳纳米管阵列表面沉积一层类金刚石薄膜材料;有效解决冲击载荷管间传递问题;以提升其单位耗能能力。主要研究内容总结如下： （1）通过水助化学气相沉积法制备碳纳米管阵列;制备管径均一且纯度极高（99.9%）的碳纳米管阵列。通过调控生长所需的催化剂体系;调制碳纳米管阵列的高度（0.3-1.4;mm）及密度（10-50;mg/cm3）。 （2）通过离子注入沉积法在碳纳米管阵列系列材料表面沉积类金刚石薄膜（2μm）;获得类金刚石薄膜/碳纳米管阵列复合材料。通过扫描电子显微镜表征薄膜表面形貌;利用拉曼光谱探究膜层与碳管阵列的结构渐变;以确认类金刚石薄膜与碳纳米管阵列的良好结合。 （3）自主搭建落球冲击实验装置;对该装置进行稳定性;冲击速度（1.44-3.00;m/s）等参数调试。利用该装置测试不同高度（0.3-1.4;mm）;密度（10-50;mg/cm3）及冲击速度（1.44-3.00;m/s）等变量下;碳纳米管阵列和类金刚石薄膜/碳纳米管阵列两种材料的冲击力学响应。探究类金刚石薄膜对提升该系列材料单位耗能的作用机制。 （4）对冲击前后碳纳米管阵列结构进行微观表征及对比;探明类金刚石薄膜对冲击过程中碳管阵列形变模式的影响;明晰该复合结构设计对碳纳米管单位耗能能力提升的作用。

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摘要

Abstract

1 绪论

1.1引言

1.2碳材料的简介

1.3 碳纳米管的结构、制备、及其性质

1.3.1 碳纳米管的结构

1.3.2 碳纳米管的制备

1.3.2.1 电弧法

1.3.2.2 化学气相沉积法（CVD）

1.3.2.3 激光蒸发法

1.4.2 类金刚石薄膜（DLC）的制备

1.4.2.1 离子束沉积

1.4.2.2 溅射沉积

1.4.2.3 热丝化学气相沉积（Hot Filament Chemical Vapor Depos

1.4.2.4 微波等离子体化学气相沉积法（Microwave Plasma Chemical Va

1.4.3 类金刚石薄膜（DLC）的性质

1.5 碳纳米管及类金刚石薄膜（DLC）在抗冲击材料方面的研究及冲击能量计算

1.5.1 碳纳米管及类金刚石薄膜（DLC）在抗冲击材料方面的研究

1.5.2 冲击能量计算

1.6 本文选题的依据及工作内容

2 类金刚石薄膜/碳纳米管阵列复合材料的制备及其表征

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验材料及仪器

表 2.1 实验中所用的原料

Table 2.1 Chemical reagents used for the experimen

2.2.2 分析与测试

2.2.2.1 扫描电子显微镜

2.2.2.2 透射电子显微镜

2.2.2.4 热重分析仪

2.2.3 碳纳米管阵列的制备

2.2.4 类金刚石薄膜/碳纳米管复合材料（DLC/CNT）的制备

2.3类金刚石薄膜/碳纳米管阵列复合材料的表征分析

2.3.1碳纳米管阵列微观结构及成份分析

2.3.2 类金刚石薄膜微观结构及成份分析

我们也对类金刚石薄膜/碳纳米管阵列符合材料其界面处拉曼图像进行了分峰处理，计算其半峰宽。结果如下图2

图2.11 类金刚石薄膜/碳纳米管阵列界面处拉曼分峰图

其G/D值及半峰宽如下表所示：

DLC films

CNT arrays

G/D

1.51

1.39

0.95

2.25

半峰宽(cm-1)

286.1

306.6

410.8

68.5

G峰为石墨峰，该峰是由碳纳米管阵列六边形碳原子环振动产生的；当式样缺陷较多时，D峰就较明显。

2.4 碳纳米管阵列的生长机理及类金刚石薄膜的沉积机理

2.4.1 碳纳米管阵列的生长机理

2.4.2 类金刚石薄膜（DLC）在碳纳米管阵列上的成膜机理

2.5 本章小结

3 类金刚石薄膜/碳纳米管阵列复合材料的抗冲击实验

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1实验材料及仪器

3.3 实验装置的搭建及调试

3.3.1 实验装置的搭建

3.3.2 实验装置的力学调试

3.4 类金刚石薄膜/碳纳米管阵列复合材料的冲击力学响应

3.4.1 样品高度对冲击力学响应的影响

3.4.2 冲击能量（速度）对材料冲击力学响应的影响

3.4.3样品密度对冲击力学响应的影响

3.5 类金刚石薄膜/碳纳米管阵列对冲击能量的耗散机理研究

3.6 本章小结

4 全文总结及展望

4.1 全文总结

4.2 工作展望

致谢

参考文献