炭纖維表面化學(xué)氣相沉積制備碳納米管及其機(jī)理研究.pdf

1、隨著材料科學(xué)科技的發(fā)展，復(fù)合材料的應(yīng)用已經(jīng)深入到現(xiàn)代社會的各個領(lǐng)域。炭纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為近些年來發(fā)展的一種高性能結(jié)構(gòu)材料，被大量應(yīng)用在航空航天等尖端科技領(lǐng)域。碳納米管(Carbon nanotubes,CNTs)具有各方面的優(yōu)異性能，用其原位復(fù)合炭纖維(Carbon fiber)可以制得比傳統(tǒng)復(fù)合材料性能更優(yōu)異的納米復(fù)合材料。本文采用化學(xué)氣相沉積(Chemical vapor deposition,CVD)法，采用丙烯和乙炔為碳源，用

2、鎳作為催化劑，在CFs表面原位生長CNTs。討論了CVD工藝及催化劑對CNTs生長的影響，并對生長機(jī)理做了一定程度的分析。本文首次探究了在CF表面定向生長CNTs。
　　1）采用電鍍的方法在炭纖維表面制備鎳催化劑顆粒。研究了不同鍍鎳時間對鍍鎳層的影響，分析了鍍鎳層的形貌、生長方式和生長機(jī)理等。當(dāng)電鍍時間為5~10min時，能在炭纖維表面沉積較均勻的催化劑顆粒，且尺寸比較適宜，而且在催化裂解丙烯和乙炔時表現(xiàn)出較好的活性，能在炭纖維表

3、面催化生長出碳納米管。
　　2）催化劑顆粒在CNTs的生長過程中起到了關(guān)鍵的作用。電鍍鎳過程中，Ni最初以Frank-van der Merwe(F-M)模式生長，金屬鎳顆粒先在CF表面能量合適的位置沉積，形成細(xì)小微晶；之后，隨著電鍍時間的延長，鎳催化劑顆粒逐漸增加聚集，形成島狀晶。由于預(yù)處理后的CFs表面的特殊形貌，從而誘導(dǎo)Ni催化劑顆粒形成樹枝微晶，在CVD生長CNTs的過程中起到了至關(guān)重要的作用。
　　3）采用CVD法

4、在CFs表面原位生長CNTs。分別以丙烯和乙炔為碳源，討論了催化劑狀態(tài)、沉積溫度和反應(yīng)時間等工藝參數(shù)對CNTs生長的影響。當(dāng)以丙烯為碳源時，采用電鍍時間為5min的試樣，沉積溫度為900℃，反應(yīng)時間為4h，C3H6,H2,N2流量分別為30、200和400ml/min時，得到的CNTs較理想。以乙炔為碳源時，反應(yīng)溫度為650℃，沉積時間15 min，各氣體流量為乙炔/氫氣/氮氣=30/400/400sccm時，能獲得表面比較光滑的CNT