铝基体上定向碳纳米棒阵列膜制备及摩擦学性能

摘要

本文在铝基体上阳极氧化铝的有序纳米孔中电化学沉积过渡金属催化剂，通过调整多孔AAO薄膜上孔的分布密度、孔径以及在有序纳米孔中电化学沉积催化剂的种类，控制化学催化气—固反应条件，采用催化化学气相沉积法(CCVD法)制备具有不同C-C结构和组织形态的定向碳纳米管及碳纳米棒阵列；结合场发射扫描电镜(FE-SEM)及原子力显微镜(AFM)观察及表征多孔AAO薄膜有序纳米孔的孔径及分布密度，采用能谱分析仪(EDS)分析催化剂颗粒在多孔AAO薄膜上纳米孔中的沉积情况，利用激光拉曼(Raman)光谱仪、X射线衍射仪(XRD)、及高分辨透射电镜(HRTEM)等仪器分析制备的定向碳纳米管及碳纳米棒的微观结构和组织形态，特别是sp3键与sp2键之比、碳纳米棒的石墨化结晶程度等；在无油润滑条件下，采用球—盘摩擦磨损实验机(真空和可控气氛环境)和原子力显微镜/摩擦力显微镜(AFM-FFM)测量定向碳纳米棒阵列膜在不同载荷、滑动速度以及使役环境状态下的摩擦系数和磨损率的变化；利用场发射SEM及激光Raman光谱仪分析定向碳纳米棒阵列膜的磨损表面形貌和微观组织形态的变化，从微观层面上阐述不同环境及试验条件下铝基体上定向碳纳米棒阵列膜的摩擦磨损机制。 研究结果显示：在微载荷下，含较高sp3键分数的定向碳纳米棒阵列膜在空气、真空、富氧及水汽等环境中都拥有较低的摩擦系数，表明铝基体上定向碳纳米棒阵列膜具有较好的环境摩擦稳定性；另外，由于定向碳纳米棒阵列膜与铝基体上阳极氧化铝之间良好的界面结合强度以及非晶态碳纳米棒优异的力学性能，从而使得铝基体上定向碳纳米棒阵列膜还表现出了较好的耐磨能力。这一研究成果为解决无油润滑条件下材料的摩擦磨损问题提供了新的途径，并对获得在极端条件下具有优异减摩耐磨性能的新型摩擦材料及其在航天技术中的运用都将产生指导作用。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2碳的发展历史

1.3非晶态碳膜

1.3.1非晶态碳膜的生长过程

1.3.2非晶态碳膜的制备方法

1.3.3非晶态碳膜的结构及力学性能

1.4碳纳米管

1.4.1碳纳米管的结构

1.4.2碳纳米管的力学性能

1.4.3碳纳米管的制备方法

1.4.4碳纳米管的生长机理

1.4.5定向碳纳米管

1.5多孔阳极氧化铝(AAO)模板

1.5.1多孔AAO模板的结构特点

1.5.2多孔AAO模板的形成机理

1.5.3多孔AAO模板的制备方法

1.6课题的提出及其意义

1.6.1现状

1.6.2课题的提出及意义

1.6.3课题的主要内容

第二章多孔阳极氧化铝(AAO)模板的制备

2.1引言

2.2铝基体的预处理工艺

2.3铝基体的阳极氧化工艺

2.4多孔AAO模板的表征

2.5小结

第三章定向碳纳米管及碳纳米棒阵列膜的制备

3.1引言

3.2多孔AAO模板上电沉积金属催化剂

3.2.1多孔AAO模板上电沉积Co

3.2.2多孔AAO模板上电沉积Co、Fe

3.2.3多孔AAO模板上电沉积Co、Ni

3.3定向碳纳米管阵列的制备

3.3.1定向碳纳米管阵列的制备工艺

33.2定向碳纳米管阵列膜的表征

3.4定向碳纳米棒阵列的制备

3.4.1定向碳纳米棒阵列的制备工艺

3.4.2定向碳纳米棒阵列膜的表征

3.4.3定向碳纳米棒的生长机制

3.5小结

第四章微载荷下渗油及渗碳多孔AAO薄膜的摩擦磨损

4.1引言

4.2多孔AAO薄膜与铝基体之间的结合力

4.3微载荷(mN级)下多孔AAO薄膜的摩擦磨损

4.4微载荷(mN级)下渗油多孔AAO薄膜的摩擦磨损

4.5微载荷(mN级)下渗碳多孔AAO薄膜的摩擦磨损

4.5.1渗碳多孔AAO薄膜的制备

4.5.2渗碳多孔AAO薄膜的摩擦磨损

4.6小结

第五章微载荷下定向碳纳米棒阵列膜的摩擦学性能

5.1引言

5.2定向碳纳米棒阵列膜与多孔AAO模板之间的结合力

5.3微载荷(mN级)下定向碳纳米棒阵列膜的摩擦磨损性能

5.3.1空气中定向碳纳米棒阵列膜的摩擦磨损性能

5.3.2真空中定向碳纳米棒阵列膜的摩擦磨损性能

5.3.3富氧环境下定向碳纳米棒阵列膜的摩擦磨损性能

5.3.4水汽环境下定向碳纳米棒阵列膜的摩擦磨损性能

5.3.5定向碳纳米棒阵列膜的减摩耐磨机理

5.3.6定向碳纳米棒阵列膜摩擦磨损性能与使役环境之间的关系

5.4小结

第六章纳载荷下定向碳纳米棒(管)阵列膜的摩擦磨损

6.1引言

6.2纳载荷(nN级)下定向碳纳米棒阵列膜的摩擦磨损

6.3纳载荷(nN级)下定向碳纳米管阵列膜的摩擦磨损

6.4小结

第七章结论与展望

7.1结论

7.2创新点

7.3展望

参考文献

攻读博士学位期间发表及撰写的论文

致谢