复合电沉积法制备铜/碳纳米管复合薄膜及其形成机理研究

论文摘要

多壁碳纳米管（MWCNT）以其独特的力学、电学、化学特性以及一维分子结构,在未来复合材料领域中具有许多潜在的应用价值。如今,金属／碳纳米管复合材料由于具有比纯金属更优异的机械性能和导电性能而受到广泛的关注。本实验利用电沉积技术（直流电沉积、脉冲电沉积）从含有碳纳米管的酸性硫酸铜电镀液中制备了铜／碳纳米管复合薄膜。本文研究了电沉积过程中各项参数对复合薄膜效果的影响,如碳纳米管在复合电镀液中的浓度、电镀液pH值、电流密度、电沉积时间等。同时,本文通过Zeta电位测试、阴极极化测试、循环伏安测试和交流阻抗测试对碳纳米管与金属铜复合电沉积过程的形成机理进行了探讨。本研究还重点考察了第二相粒子在复合电沉积过程中的行为与作用,并详细描述了铜／碳纳米管复合电沉积的关键步骤。根据实验现象进行分析从而得出以下结论：脉冲电沉积相比直流电沉积而言,能够获得结构致密、碳纳米管含量较高且分散均一的铜／碳纳米管复合薄膜。正交实验的结果表明,最佳的工艺参数是：碳纳米管在复合电镀液中的浓度为1.0 g·L-1,脉冲电流Jp=20 A·dm-2,脉冲导通时间ton=40 ms,脉冲关断时间toff=960 ms。制得的铜／碳纳米管复合薄膜中,碳纳米管均匀地分布在已沉积的金属铜层上。碳纳米管的一端镶嵌于金属铜镀层内,另一端探出金属铜镀层外。这种两相结合方式有利于发挥碳纳米管优良的导电性能。通过三个经典的电化学测试可知,碳纳米管的存在对铜的还原过程具有促进作用,从而推动复合电沉积过程的进行。复合电沉积的形成过程分为以下四步：第一步,碳纳米管吸附溶液中的铜离子而形成Cu2+/MWCNT复合体；第二步,此复合体在电场作用下产生电泳现象,定向迁移至阴极表面；第三步,铜离子在阴极发生两步还原,其中碳纳米管对铜的还原反应具有促进作用；最后,碳纳米管被嵌入正在生长的金属铜镀层中,形成独特的空间立体网络结构。对碳纳米管与金属铜复合电沉积形成机理的探讨将有利于更深入地理解金属／碳纳米管复合材料的电化学形成过程。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 碳纳米管的研究概况
• 1.2.1 碳纳米管的结构、性质及应用
• 1.2.2 碳纳米管的纯化及分散性能研究
• 1.3 碳纳米管复合材料的研究进展
• 1.3.1 碳纳米管复合材料的种类及其应用
• 1.3.2 金属/碳纳米管复合材料的制备方法
• 1.3.3 铜/碳纳米管复合材料的制备及其应用
• 1.4 纳米复合电镀
• 1.4.1 纳米复合电镀的概念
• 1.4.2 纳米复合镀层的影响因素
• 1.4.3 纳米复合电镀的理论模型及其机理研究
• 1.5 本课题的研究情况
• 1.5.1 主要内容及意义
• 1.5.2 难点分析
• 1.5.3 创新性
• 第二章 碳纳米管的纯化及表面修饰
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验原料及仪器
• 2.2.2 实验步骤
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 盐酸纯化碳纳米管
• 2.3.2 聚乙烯吡咯烷酮（PVP）修饰碳纳米管
• 2.3.3 混酸修饰碳纳米管
• 2.4 本章小结
• 第三章 直流电沉积法制备铜/碳纳米管复合薄膜
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验原料及仪器
• 3.2.2 实验流程图及步骤
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 用盐酸纯化后的碳纳米管进行电沉积
• 3.3.2 用聚乙烯吡咯烷酮修饰后的碳纳米管进行电沉积
• 3.3.3 用混酸修饰后的碳纳米管进行电沉积
• 3.4 本章小结
• 第四章 铜/碳纳米管复合薄膜的纳米复合电沉积机理研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验原料及仪器
• 4.2.2 实验步骤
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 阴极极化曲线测试
• 4.3.2 循环伏安测试
• 4.3.3 交流阻抗测试
• 4.3.4 铜/碳纳米管复合薄膜的电化学过程形成机理
• 4.4 本章小结
• 第五章 脉冲电沉积法制备铜/碳纳米管复合薄膜
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验原料及仪器
• 5.2.2 实验流程图及步骤
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 晶体结构分析（XRD）
• 5.3.2 表面形貌分析（SEM）
• 5.3.3 组成成分分析（EDX）
• 5.3.4 截面形貌分析（CP）
• 5.3.5 性能表征
• 5.3.6 脉冲电沉积参数对复合薄膜的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 复合薄膜中碳纳米管相对含量的研究
• 6.1 前言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 实验原料及仪器
• 6.2.2 实验流程图及步骤
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 阳极溶解复合薄膜
• 6.3.2 静电自主装法修饰碳纳米管
• 6.3.3 复合电镀液中引入超分散剂聚丙烯酸（PAA）
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书