微波等離子體化學(xué)氣相沉積(MPCVD)法在碳纖維上制備碳納米管

書山有路勤為徑，學(xué)海無(wú)涯苦作舟微波等離子體化學(xué)氣相沉積(MPCVD)法在碳纖維上制備碳納米管利用微波等離子體化學(xué)氣相沉積(MPCVD)法在碳纖維上制備了碳納米管，并在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)地研究了微波功率、反應(yīng)時(shí)間、催化劑前驅(qū)體的吸附時(shí)間以及吸附濃度對(duì)碳納米管生長(zhǎng)的影響。采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)樣品的表面形貌進(jìn)行表征。結(jié)果表明，微波功率、反應(yīng)時(shí)間對(duì)碳納米管的形貌有很大影響，此外，隨著吸附時(shí)間的增加，碳納米管的生長(zhǎng)速度快且產(chǎn)量高;吸附濃度很大時(shí)，碳纖維表面上產(chǎn)生了大量的無(wú)定形碳和石墨，嚴(yán)重影響了碳納米管的生長(zhǎng)質(zhì)量。?引言?盡管碳纖維的軸向強(qiáng)度和模量高、無(wú)蠕變、耐疲勞性好，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小，耐腐蝕性好，纖維的密度低，X射線透過(guò)性好，但其活性比表面積小、表面能低，且碳纖維與基體之間的結(jié)合力小，使得碳纖維復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度很低。因此，碳纖維的表面修飾增強(qiáng)界面結(jié)合力是在未來(lái)很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)的研究熱點(diǎn)。?過(guò)去研究者常用纖維涂層來(lái)修飾碳纖維的界面特性，提高碳纖維復(fù)合材料的機(jī)械性能。自1991年以來(lái)，碳納米管引起了廣泛的關(guān)注。碳納米管由于具有導(dǎo)電性好、比表面積大、優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度等眾多優(yōu)點(diǎn)，真空技術(shù)網(wǎng)（chvacuum/）認(rèn)為是具有高性能結(jié)構(gòu)和多功能復(fù)合材料的下一代候選材料。碳納米管混合碳纖維是一個(gè)表面修飾碳纖維的新方式。?筆者以碳纖維作為基體材料，利用實(shí)驗(yàn)室自制的微波等離子體化學(xué)氣相沉積的設(shè)備在碳纖維的表面生長(zhǎng)碳納米管，并在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)地研究了微波功率、反應(yīng)時(shí)間、吸附時(shí)間以及吸附濃度對(duì)碳納米管生長(zhǎng)的影響，從而為微波等離子體化學(xué)氣相沉積法在碳纖維上制備碳納米管提供技術(shù)基礎(chǔ)。?1、實(shí)驗(yàn)部分碳纖維上制備碳納米管所用儀器為本實(shí)驗(yàn)室自行研制的微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置。由于碳纖維耐沖擊性較差，容易損傷，在強(qiáng)酸作用下發(fā)生氧化，與金屬?gòu)?fù)合時(shí)會(huì)發(fā)生金屬碳化、滲碳及電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。因此，碳纖維在使用前須進(jìn)行表面處理。取一定量的丙酮，將密度為1.75g/cm3，形狀切成10mm乘以20mm的長(zhǎng)方形碳纖維放入丙酮溶液中，超聲振蕩30min來(lái)去除碳纖維表面的保護(hù)膠膜。為了更好地提高碳纖維的吸附能力，將去膠后的碳纖維放入體積比為3:1的濃硫酸和濃硝酸的混酸中進(jìn)行水浴處理，水浴溫度為80℃，處理時(shí)間為4h。將混酸處理過(guò)的碳纖維用去離子水反復(fù)沖洗直到水溶液的PH值為7。然后用碳纖維吸附濃度為0.05~0.50mol/L的硝酸鎳溶液吸附若干小時(shí)，待吸附完全后在真空干燥箱內(nèi)60℃烘干。最后在碳纖維上生長(zhǎng)碳納米管。?實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用甲烷和氫氣作為反應(yīng)氣體，在一定的氣壓下研究了微波功率、反應(yīng)時(shí)間、吸附時(shí)間和吸附濃度對(duì)碳纖維上碳納米管生長(zhǎng)情況的影響。制備得到的樣品的表面形貌通過(guò)JSM-5510LV型掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行表征。?3、結(jié)論(1)微波功率、反應(yīng)時(shí)間對(duì)碳納米管的形貌有很大影響，在其他條件一定的情況下，碳纖維上生長(zhǎng)碳納米管的最佳工藝：氫氣流量為55ml/min，甲烷的流量為3.3ml/min，反應(yīng)氣壓為4.5kPa，微波功率為500W，反應(yīng)時(shí)間為60min;?(2)隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)，碳纖維表面的硝酸鎳顆粒吸附的比較完全，在生長(zhǎng)過(guò)程中，每一個(gè)位置都會(huì)有硝酸鎳顆粒作為催化生長(zhǎng)碳納米管的催化劑;相反當(dāng)吸附時(shí)間較短時(shí)，碳纖維表面吸附的硝酸鎳本身就不均勻，因此表面形貌就顯得十分不均勻;?(3)吸附濃度對(duì)碳纖維上生長(zhǎng)碳納米管的影響主要表現(xiàn)在對(duì)碳納米管的管徑大小和分散性的影響，吸附濃度低時(shí)碳納米管的管徑普遍較小，大約為10nm，且碳納米管在碳纖維上的分散不均勻;吸附濃度較大時(shí)碳纖維表面產(chǎn)生了大量的無(wú)定形碳和石墨，其原因可能是吸附濃度過(guò)高，導(dǎo)致催化生長(zhǎng)碳納米管的Ni