仿壁虎碳纳米管阵列制备及黏附性能研究

摘要

碳纳米管阵列（VACNTs）以其优异的力学、电学、热学性能以及对极端环境的适应性，成为仿壁虎干黏附极具潜力的材料，在爬壁机器人领域体现出重要的应用价值。本文针对目前VACNTs可控制备存在的问题，设计了具有不同缓冲层和催化剂厚度的生长基底，并调节了化学气相沉积工艺过程中的氢气预处理时间，氢气浓度，沉积时间和反应压力等，以探究这些因素对制备的VACNTs的形貌结构、缺陷程度、纯度质量及黏附性能的影响，为实现其可控制备建立方法和理解上的基础。本文的主要成果和结论如下：
　　1.支撑层和催化剂层的厚度对 VACNTs的生长状况有显著的影响。Fe层的厚度直接决定形成的催化剂 Fe颗粒的分布状况，进一步影响以此为模板生长的VACNTs的形貌结构。多孔结构的Al2O3使还原后的Fe进入其空隙分散成均匀分布的颗粒，过厚的Al2O3层增大了Fe颗粒的扩散损耗。而比Al2O3层更加致密的SiO2层有效阻断了Fe颗粒的扩散损耗。
　　2.通过调节预处理阶段和沉积阶段的氢气浓度，可以控制VACNTs的生长速率实现快速生长。AFM观察表明，预处理阶段适宜浓度的氢气将催化剂Fe膜还原到具有催化活性的金属状态并形成均匀分布的Fe颗粒。实验中以SiO2/Al2O3/Fe=300nm/15nm/1nm的生长基底，在25%的氢气浓度下制备的VACNTs高度达到949μm，生长速率为23.72μm/min。拉曼光谱表明，该条件下生长的VACNTs呈现较高的石墨化结晶程度，具有相对最佳的纯度和质量。
　　3.本文提出了反应气氛中氢气浓度对 VACNTs黏附性能的影响机理：当氢气比例过低（0%~5%）时，VACNTs生长高度较低，不足以适应目标表面形成大面积的线接触。而当氢气比例过高（25%~35%）时，多余的氢气改变了催化剂的晶相，从具有催化活性的FeC3转变为体心立方（BCC）Fe，使生长的VACNTs缺陷程度更高而石墨化结晶程度较差。实验中以SiO2/Al2O3/Fe=300nm/20nm/2nm的生长基底，在15%的氢气浓度下制备的VACNTs在黏附测试中表现出优良的黏附性能，宏观切向黏附力达到32N/cm2，是壁虎脚掌的3.2倍。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究意义及背景

1.2 壁虎脚掌刚毛的研究概况

1.3 仿壁虎碳纳米管干黏附材料的研究概况

1.4 研究方法及主要内容

第二章 碳纳米管阵列的常压制备工艺

2.1 引言

2.2 化学气相沉积法（CVD）

2.3 碳纳米管阵列的生长机理

2.4 实验

2.5 结果与讨论

2.6 本章小结

第三章 高质量碳纳米管阵列的低压制备工艺

3.1 引言

3.2 实验内容

3.3 实验结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 氢气浓度对碳纳米管黏附性能的影响

4.1 引言

4.2 反应气氛对VACNTs生长影响的研究概况

4.3 实验内容

4.4 实验结果与分析

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 创新点

5.3 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文