金属基体上原位生长碳纳米纤维(管)增强金属基复合材料

摘要

近年来，以碳纳米管(CNTs)为首的碳纳米材料以其优异的力学、热学和电学等特性受到了科学界的广泛关注。碳纳米管(CNTs)和碳纳米纤维(CNFs)被认为是发展高性能金属基复合材料的理想增强体，同时也是锂电、超级电容器等新型电子器件的理想电极材料。要发挥CNFs的优异性能，关键要求CNFs与金属基体具有良好的界面结合性且在金属基体上均匀分散。而在金属基体表面CVD法原位合成碳纳米材料是获得以上要求最为直接有效的方法之一。
　　 本文首先采用浸渍法在铜、银基体表面制备了Co、Fe/Y、Ni/Y催化剂前驱体，然后采用CVD法合成了分布均匀、含量可控的碳纳米结构;系统地研究了不同催化剂种类、浓度、生长温度以及碳源载气比例等参数对碳纳米结构形貌的影响。然后将此原位复合基板与金属离子一起共沉积，得到CNF-Cu、CNF-Ag复合基板，最后用压制烧结工艺制备复合材料。
　　 研究结果表明:
　　 1)铜基体表面用Co做催化剂，得到的碳纳米产物主要是CNFs。
　　 2)铜基体表面用0.02MFe/Y做催化剂，C2H2∶Ar∶H2=50∶200∶50，800℃生长10min可以获得富勒烯掺杂多孔碳纳米纤维。
　　 3)铜基体表面用0.01MNi/Y做催化剂，600℃生长30min，C2H2∶Ar∶H2=10∶200∶50时可以获得纯度很高的单螺旋CNFs，合成的单螺旋CNFs的直径为200nm左右。同时，本论文用0.001MNi/Y做催化剂，C2H2∶Ar∶H2=20∶200∶50，在铜箔表面800℃下生长10min成功一步合成了石墨烯/CNTs复合材料。所得到的CNTs直径为30-50nm。
　　 4)制备金属基复合材料的最佳参数是:a.CNF-Cu(:)用0.01MCo做催化剂，600℃下反应30min，C2H2∶Ar∶H2=10∶400∶100;b.CNF-Ag(:)用0.001M做Ni/Y催化剂，600℃下反应30min，C2H2∶Ar∶H2=10∶200∶50。
　　 5)采用原位合成和化学共沉积法相结合制备的CNF-Cu、CNF-Ag复合材料中CNFs分布均匀且界面结合良好。用这种方法制备的复合材料能够在不降低导电率的前提下明显提高复合材料的硬度，其中CNF-Cu是纯铜硬度的1.223倍，CNF-Ag是纯银硬度的1.243倍。

目录

声明

学位论文的主要创新点

摘要

第一章 文献综述

1．1 碳纳米材料概述

1．1．1 碳纳米纤维

1．1．2 碳纳米管

1．1．3 石墨烯

1．2 碳纳米材料的制备方法

1．2．1 电弧放电法

1．2．2 激光蒸发法

1．2．3 化学气相沉积法

1．3 块体金属基体上CVD合成碳纳米材料的研究进展

1．4 碳纳米结构增强金属基复合材料的研究进展

1．4．1 液态浸渍法

1．4．2 电化学沉积法

1．4．3 原位合成法

1．4．4 粉末冶金法

1．5 本论文工作的意义及主要研究内容

第二章 实验材料、方法与设备

2．1 金属基体表面碳纳米结构的合成与表征

2．1．1 实验原材料

2．1．2 金属基板表面碳纳米结构的合成

2．1．3 碳纳米结构的合成、表征仪器设备与方法

2．2 CNF-Cu、CNF-Ag复合材料的制备与表征

2．2．1 实验原材料

2．2．2 复合材料的制备工艺

2．2．3 复合材料的制备、表征仪器设备与方法

第三章 金属基体表面化学气相沉积原位合成碳纳米材料的研究

3．1 引言

3．2 铜基体表面化学气相沉积原位合成碳纳米结构的研究

3．2．1 Co基催化剂催化合成碳纳米结构的研究

3．2．2 Fe基催化剂催化合成碳纳米结构的研究

3．2．3 Ni基催化剂催化合成碳纳米结构的研究

3．3 银基板表面化学气相沉积原位合成碳纳米结构的研究

3．4 本章小结

第四章 CNF-Cu、CNF-Ag复合材料的制备与表征

4．1 引言

4．2 低含量催化原位合成CNF-Cu、CNF-Ag复合金属基体的分析

4．2．1 低含量催化剂制备CNF(Co)-Cu、CNF(Ni／Y)-Ag原位复合基体的表征

4．2．2 共沉积混合后复合基体的结构表征

4．2．3 还原后复合基体的结构表征

4．2．4 CNFs-Cu、CNFs-Ag复合材料的制备与表征

4．4 本章小结

第五章 主要结论和创新点

5．1 主要结论

5．2 主要创新点

5．3 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢