碳纳米管的快速纯化及其增强铜基复合材料的研究

论文摘要

自1991年CNTs被发现以来，就引起化学、物理和材料等学科的很大兴趣。由于其独特的结构和在力学方面优异的性能，是一种理想的金属基复合材料增强相。但由于CNTs具有很强的范德华力，很难以在基体中均匀分散和牢固结合,从而限制了其应用范围。因此，如何使碳纳米管均匀分散在铜粉中并使之有效结合显得十分重要。本文通过微波混酸处理、纯化与功能化同步进行的方法使碳纳米管快速纯化并在表面接入活性基团，同时借助明胶、聚乙二醇分散CNTs，在分散的同时与铜、钛粉末搅拌混合，利用乙醇的作用形成凝胶弹性体，通过模压、固化、保护气烧结制备了CNTs/Cu复合材料。首先，采用微波辅助混酸纯化多壁碳纳米管，研究硫酸与硝酸不同比例、微波加热不同时间、添加乙二胺四乙酸等对纯化效果的影响。XRD分析、微观形貌分析表明：原始碳纳米管中的金属催化剂颗粒、碳纳米颗粒以及无定形碳等能有效的去除，且不会破坏CNTs的表面结构。红外、拉曼、热重曲线等分析表明:MWNTs能在H2SO4/HNO3为1:3（体积比）微波加热30分钟得到有效的纯化，纯度达98.87%；添加EDTA能使碳纳米管在纯化的同时得到功能化，其表面接枝率可达16%。从而提高其在溶液中的分散性，是一种快速高效的纯化功能化同步进行的方法。其次，经过微波辅助纯化后的碳纳米管，在30min内通过超声、磁力搅拌作用均匀分散在明胶、聚乙二醇的水溶液中。在分散的同时与金属粉体混合，强力搅拌，然后通过明胶不溶于酒精以及明胶在温度剧降时凝聚的特性，使金属粉末、碳纳米管和水完全填充并固定在凝胶空隙内，形成复合弹性体。将复合弹性体通过模压成型、固化、脱脂、保护气氛烧结制备了CNTs/Cu复合材料。考察了不同钛含量对复合材料性能的影响，比较了烧结温度、保温时间、升温速度等不同工艺参数对复合材料性能的影响。结果表明，当钛含量为18wt%，烧结温度为950℃，升温速度为2℃/min，保温时间为2h时，得到的复合材料力学性能较佳。其密度为5.624g.cm-3，硬度为89HRB，导电率为15.6%，在30-200℃的平均热膨胀系数为11.79×10-6/K，在30N载荷作用下的摩擦系数为0.245，通过XRD分析表明,其中有一定量的TiC生成。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 碳纳米管简介
• 1.2.1 碳纳米管的制备
• 1.2.2 碳纳米管的性能
• 1.2.3 碳纳米管的纯化及功能化
• 1.3 碳纳米管复合材料的研究现状
• 1.3.1 碳纳米管金属基复合材料研究概况
• 1.3.2 碳纳米管陶瓷基复合材料研究概况
• 1.3.3 碳纳米管聚合物基复合材料研究概况
• 1.4 铜基复合材料研究进展
• 1.4.1 铜基复合材料简述
• 1.4.2 碳-铜基复合材料研究现状
• 1.4.3 碳纳米管-铜基复合材料研究现状
• 1.5 本课题的研究背景、意义、目的和内容
• 第2章 多壁碳纳米管的高效快速纯化及功能化
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 实验仪器、设备
• 2.2.3 样品的制备
• 2.2.4 样品的检测
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 碳纳米管纯化前后 XRD 分析
• 2.3.2 拉曼光谱分析
• 2.3.3 微观形貌分析
• 2.3.4 红外分析
• 2.3.5 热重分析
• 2.3.6 光学照片分析
• 2.4 小结
• 第3章 CNTS/CU 复合弹性体的制备
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 实验仪器、设备
• 3.2.3 样品的制备
• 3.2.4 样品的表征及检测
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 宏观形貌分析
• 3.3.2 热重分析
• 3.3.3 扫描电镜分析
• 3.4 小结
• 第4章 CNTS-CU 复合材料的制备及性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验仪器、设备
• 4.2.2 样品的制备
• 4.2.3 样品的表征及检测
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 复合材料的密度
• 4.3.2 复合材料的硬度
• 4.3.3 复合材料的导电性
• 4.3.4 复合材料的断口形貌
• 4.3.5 复合材料摩擦磨损性能分析
• 4.3.6 工艺参数对复合材料性能的影响
• 4.3.7 复合材料的热膨胀分析
• 4.3.8 复合材料残余碳含量的计算
• 4.3.9 复合材料的 XRD 分析
• 4.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢