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內容簡介

　　碳納米結構具有優異的物理和力學性能而成為金屬基復閤材料的理想增強體。保證碳納米相在金屬基體中的分散均勻、界麵結閤良好和結構完整性是獲得高性能金屬基復閤材料需要解決的關鍵的科學問題。《納米科學與技術：原位閤成碳納米管增強金屬基復閤材料》闡述瞭金屬基體對催化閤成碳納米相的作用機製和碳納米相的生長機理，闡明瞭不同結構碳納米相的熱穩定性和相演變規律，介紹瞭利用化學氣相沉積技術，直接在不同金屬基體上催化閤成碳納米結構，實現其可控生長的方法和途徑。介紹瞭采用粉末冶金法製備碳納米相增強金屬基（鋁基，銅基）復閤材料，闡述金屬基體與碳納米相的相互作用以及增強相對金屬的強化機理。

目錄

目 錄
《納米科學與技術》叢書序
前言
緒論 1
第一篇碳納米相的閤成與錶徵
第1章碳納米相的結構與性能 15
1. 1 CNTs 15
1.1.1 CNTs 的分類 16
1.1.2 CNTs 的結構 19
1.1.3 CNTs 的性能 24
1.2碳洋蔥 30
1.2.1碳洋蔥的結構 30
1 .2.2碳洋蔥的性能 32
1 .3碳包覆金屬納米顆粒 32
1 .3. 1碳包覆金屬納米顆粒的結構 32
1 .3.2碳包覆金屬納米顆粒的性能 34
參考文獻 36
第2章碳納米相的製備方法 4 1
2. 1碳納米相的製備方法簡介 4 1
2. 1 . 1 電弧放電法 4 1
2. 1 .2激光燒蝕法 42
2. 1 .3化學氣相沉積法 42
2. 1 .4其他方法 43
2.2化學氣相沉積法的影響因素 43
2.2. 1催化劑的種類 43
2.2.2碳源種類 44
2.2.3載體作用 45
2.2.4 載氣作用 46
2.3碳納米相的生長機理 46
2.3. 1 CNTs的生長機理 46
2.3.2碳洋蔥的生長機理 47
參考文獻 48
第3章碳納米相的錶徵方法 53
3. 1 電子顯微鏡與原子力顯微鏡 53
3.2拉曼光譜 55
3.3 XPS與傅裏葉紅外光譜 58
3.4其他錶徵手段 60
3.4.1 熱重分析 60
3.4.2 XRD 60
3.4.3 UV-VIS 61
3.4.4紫外光電子能譜 61
3.4.5元素分析與能量色散譜儀 61
參考文獻 62
第二篇金屬基體上原位閤成碳納米相的研究
第4章碳納米相在鋁基體上的閤成 69
4.1 催化劑 69
4.1.1催化劑的製備 69
4.1.2催化劑的錶徵 70
4.2原位閤成CNTs的影響因素探討 72
4.2.1 催化劑類型 72
4.2.2催化劑含量 87
4.2.3反應溫度 90
4.2.4反應時間 94
4.2.5反應氣比例 97
4. 2. 6反應載氣種類 97
4. 3原位閤成碳洋蔥的影響因素探討 101
4.3.1催化劑的錶徵 101
4.3.2反應溫度 102
4.3.3反應時間 104
4.3.4 反應載氣種類 104
4.4碳包覆金屬納米晶的閤成及性能 107
4.4.1碳包覆M納米顆粒的結構分析 107
4.4.2碳包覆M納米顆粒的磁性能 107
4.4.3碳包覆M納米顆粒的摩擦學性能 109
參考文獻 110
第5章碳納米相在Cu基體上的閤成 113
5.1催化劑的選擇 113
5.1.1 Ni/Y/Cu 催化劑 116
5.1.2 Ni/Ce/Cu 催化劑 117
5.2催化劑的熱穩定性 120
5.2.1 Ni/Y/Cu 催化劑 120
5.2.2 Ni/Ce/Cu 催化劑 122
5.3製備工藝對Cu載體催化劑活性的影響 124
5.3.1溶液濃度對催化劑活性和産物形貌的影響 124
5.3.2煆燒溫度對催化劑活性和産物形貌的影響 12 5
5 .3.3還原溫度對催化劑活性和産物的影響 128
5 . 4反應閤成工藝對Ni/Y/Cu催化劑活性和産物形貌的影響 130
5 .4.1反應氣比例對産物産率和形貌的影響 130
5 .4.2反應溫度對産物産率和形貌結構的影響 131
5 . 5反應閤成工藝對Ni/Ce/Cu催化劑活性和産物形貌的影響 13 5
5 . 6穩定劑含量對催化劑熱穩定性及催化性能的影響 141
參考文獻 146
第6章碳納米相在其他金屬基體上的閤成初探 147
6. 1 Ti 基體 147
6.1.1閤成溫度的影響 147
6.1.2催化劑M含量的影響 1 5 1
6.1.3催化劑前驅體還原溫度的影響 153
6.1.4反應氣與載氣比例對最終産物的影響 155
6.1.5載氣類彆對反應産物的影響及其與溫度的關係 158
6. 2 Mg 基體 160
6.3 Ag 基體 163
參考文獻 166
第7章碳納米相在金屬基體上的生長機理探討 168
7.1 A1基體上原位閤成碳納米相的機理 169
7.2 Cu基體上原位閤成碳納米相的機理 175
參考文獻 180
第三篇CNTs原位增強金屬基復閤材科
第8章CNTs增強金屬基復閤材料的研究現狀 185
8. 1 CNTs增強金屬基復閤材料的製備方法 1 85
8. 1 . 1粉末冶金法 1 85
8. 1 .2熔體浸漬法 1 87
8. 1 .3攪拌鑄造法 1 87

8. 1 .4 原位閤成法 1 88

8. 1 .5噴射沉積法 1 89

8. 1 .6電化學沉積法 1 90

8.2 CNTs與金屬的界麵結構 1 90

8.2. 1界麵在復閤材料中的作用 1 90

8.2.2復閤材料界麵結構類型 1 9 1

8.2.3 CNTs與金屬的界麵 1 92

8.3 CNTs增強金屬基復閤材料的性能 1 94

8.3. 1 CNTs/A1復閤材料的性能 1 94

8.3.2 CNTs/Cu復閤材料的性能 1 95

8.3.3其他金屬基體的復閤材料性能 1 96

8.4 CNTs增強金屬基復閤材料的強化機理 1 96

8.4. 1混閤定律 1 97

8.4.2細晶強化機製 1 98

8.4.3位錯強化機製 1 98

8.4.4彌散強化機製 1 99

8.4.5載荷強化機製 1 99

參考文獻 200

第9章原位閤成CNTs/A1復閤材料的結構與性能 205

9. 1 CNTs/Al復閤材料的結構與性能 205

9. 1 . 1 CNTs/Al復閤材料中CNTs的穩定性 206

9.1.2 CNTs/Al復閤材料的緻密度 207

9.1.3 CNTs/Al復閤材料的壓縮性能 209

9.1.4 CNTs/Al復閤材料的耐蝕性 211

9.2原位閤成-短時球磨-粉末冶金法製備CNTs/Al復閤材料 214

9.2.1球磨轉速和過程控製劑的選擇 215

9.2.2球磨時間對CNTs/Al復閤材料組織和力學性能影響 218

9.2.3 CNTs含量對CNTs/Al復閤材料組織和力學性能影響 223

9.2.4 CNTs/Al復閤材料的熱膨脹係數 229

參考文獻 232

第10章原位閤成CNTs(CNFs)/CU復閤材料的結構與性能 234
10.1 CNTs(CNFs)/Cu復閤粉末的製備與錶徵 235

10.1.1低含量催化劑在Cu基體上的分布 236

10.1.2反應時間對産物産率的影響 236

10.1.3低含量催化劑製備CNF (M/Y)/Cu原位復閤粉末的錶徵 237

10.1.4共沉積混閤後復閤粉末的結構錶徵 238

10. 2熱處理對原位復閤粉末及復閤材料性能的影響 241

10. 3還原溫度對復閤粉末形貌及復閤材料性能的影響 247

10.4粉末冶金製備工藝對復閤材料性能的影響 250

10.5 CNFs(Ni/Y)/Cu復閤材料的微觀組織形貌 253

10.5.1 CNFs(M/Y)/Cu復閤材料的微觀組織分析 253

10.5.2 CNFs(Ni/Y)/Cu復閤材料壓縮斷口形貌分析 256

10.5.3 CNFs(Ni/Y)/Cu復閤材料的彎麯斷口形貌分析 258

10.6 CNFs(Ni/Y)/Cu復閤材料的物理力學性能 259

10.6.1 CNFs含量對復閤材料密度和電導率的影響 259

10.6.2 CNFs含量對復閤材料硬度和屈服強度的影響 259

10.6.3 CNFs(M/Y)/Cu復閤材料的熱膨脹行為 260

參考文獻 263

第11章原位閤成CNTs增強其餘金屬基體復閤材料的結構與性能 265
11. 1 CNTs/Ti復閤材料的結構與性能 265
11.1.1 CNTs/Ti復閤材料的製備工藝 265
11.1.2 CNTs/Ti復閤材料的微觀組織結構 266
11.1.3 CNTs/Ti復閤材料的力學性能研究 272
11.1.4 CNTs/Ti復閤材料的摩擦磨損性能研究 275
11.1.5 CNTs/Ti復閤材料強化機製探討 279
11. 2 CNTs/Mg復閤材料的結構與性能 281
11.2.1 CNTs/Mg復閤材料的製備工藝 281
11.2.2 CNTs含量對復閤材料性能的影響 284
11.2.3 CNTs/Mg復閤材料的物理性能 287
11.2.4 CNTs/Mg復閤材料的成分與界麵研究 289
參考文獻 292
第12章原位增強碳/金屬基復閤材料的強化機理 293
12. 1 CNTs/金屬基體界麵結閤的機理研究 293
12.1.1缺陷對CNTs上金屬原子吸附的影響 294
12.1.2缺陷對金屬錶麵與CNTs間相互作用的影響 296
12. 2 CNTs原位增強金屬基復閤材料界麵的實驗分析 298
12.2.1反應型界麵增強(CNTs/Al) 298
12.2.2非反應型界麵增強(CNTs/Cu) 302
參考文獻 302
第13章應用和展望 304
13. 1化學原位閤成方法在製備金屬基復閤材料中的優勢 304
13.2原位閤成CNTs在不同基體中的特點 305
13.2.1 A1 基體 305
13.2.2 Cu 基體 305
13.2.3其他金屬基體 306
13.3存在的問題與解決途徑 307
13. 4 CNTs作為金屬基復閤材料增強體的發展前景 308
索引 309

精彩書摘

緒 論
一、金屬基復閤材料的發展曆史

在人類社會的發展過程中"材料的發展水平始終是時代進步和社會文明的標 誌。人類和材料的關係不僅廣泛密切，而且非常重要。事實上，人類文明的發展 史，就是一部如何更好地利用材料和創造材料的曆史。同時，材料的不斷創新和 發展，也極大地推動瞭社會經濟的發展。在當代，材料、能源、信息是構成社會 文明和國民經濟的三大支柱，其中材料更是科學技術發展的物質基礎和技術 先導。

兩萬五韆年前人類開始學會使用各種用途的鋒利石片，一萬年前人類第一次 有意識地創造瞭自然界沒有的新材料(陶器），這是人類社會進步的象徵，也是社 會經濟發展的結果。繼陶器時代之後，由於人們生活方式的變化和戰爭等方麵的 原因，青銅的冶煉技術被發明並逐步達到很高的水平。到18世紀，鋼鐵工業的 發展成為産業革命的重要內容和物質基礎。19世紀中葉，現代平爐和轉爐鎳管 煉鋼技術的齣現使人類真正進入瞭鋼鐵時代。與此同時，銅、鉛、鋅也大量得到 應用，鋁、鎂、鈦等金屬相繼問世並得到應用。直到20世紀中葉，金屬材料在 材料工業中一直占據主導地位。之後，科學技術迅猛發展，作為“發明之母”和 “産業糧食”的新材料又齣現瞭劃時代的變化。首先是人工閤成高分子材料問世並 得到廣泛應用，僅半個世紀時間，高分子材料就與有上韆年曆史的金屬材料並駕 齊驅，並在年産量(體積)上超過瞭鋼，成為國民經濟、國防尖端科學和高科技領 域不可缺少的材料。其次是陶瓷材料的發展。陶瓷是人類最早利用自然界所提供 的原料製造的材料。20世紀50年代，閤成化工原料和特殊製備工藝的發展，使 陶瓷材料産生瞭一個飛躍，齣現瞭從傳統陶瓷嚮先進陶瓷的轉變，許多新型功能 陶瓷形成瞭産業，滿足瞭電力、電子技術和航天技術發展的需要。

現在人們按化學成分的不同將材料劃分為金屬材料、無機非金屬材料和有機 高分子材料三大類以及它們的復閤材料。金屬材料科學主要是研究金屬材料的成 分、組織、結構、缺陷與性能之間內在聯係的一門學科。金屬材料科學與工程的 工作者還要研究各種金屬冶煉和閤金化的反應過程與相的關係，金屬材料的製備 方法和形成機理，結晶過程以及材料在製造及使用過程中的變化和損毀機理。對 其按化學成分進行分類可以分為鋼鐵、有色金屬以及復閤金屬材料。按用途分類 包括結構材料和功能材料14]。
金屬基復閤材料(metal matrix composites， MMCs)是在樹脂基復閤材料的 基礎上發展起來的，它是以金屬或閤金為基體，以不同材料的縴維或顆粒為增強 物的復閤材料。其特點在於有一個連續的金屬或者閤金基體，其他組元相則是均 勻地分布在金屬基體中。近代金屬基復閤材料的研究始於1924年Schmit[5]關於 鋁/氧化鋁粉末燒結的研究工作。在20世紀30年代，沉澱強化理論齣現（，]，並 在以後的幾十年中得到很大發展；60年代，金屬基復閤材料已經發展成為復閤 材料的一個新的分支；"0年代，日本豐田公司首次將陶瓷縴維增強鋁基復閤材 料用於製造柴油發動機活塞，從此金屬基復閤材料的研製與開發工作得到瞭快速 發展。土耳其的S Eroglu等用離子噴塗技術製得瞭 NiC'-Al/Mg0-Zr02功能梯度 塗層。目前，金屬基復閤材料已經引起有關部門的高度重視，特彆是航空航天部門 推進係統使用的材料，其性能已經接近極限。因此，研製工作溫度更高，比剛度、 比強度大幅度提升的金屬基復閤材料，已經成為發展高性能材料的一個重要方嚮。 1990年，美國在航天推進係統中形成瞭 3250萬美元的高級復閤材料（主要為 MMCs)市場，年平均增長率為16%，遠遠高於高性能閤金的年增長率[2’8]。
增強體是金屬基復閤材料的關鍵組分之一，具有增強強度和剛度、改善性能 的作用。由於金屬基復閤材料的成型溫度一般較高，為瞭避免高溫條件下發生有 害的化學反應，必須選擇耐高溫的增強材料。而且，為瞭形成良好的界麵結閤， 要求增強材料與基體之間具有良好的浸潤性。有時考慮到界麵結閤與界麵反應問 題，還需要對增強材料進行預處理。

金屬基復閤材料的增強體按照形態的不同主要分為顆粒增強相、縴維(包括 長縴維和短縴維)或晶須增強相。長縴維增強相主要有硼縴維、碳縴維、氧化鋁 縴維、碳化矽縴維等；短縴維增強的材料主要有氧化鋁縴維、氧化矽縴維；增強 晶須主要有碳化矽晶須、氧化鋁晶須、氮化矽晶須。縴維或晶須增強的復閤材料 中高強度、高模量增強縴維或晶須是主要的承載組元，而基體金屬則是起到固結 高性能縴維或晶須、傳遞載荷的作用。縴維或晶須增強的復閤材料的性能受到多 種因素的影響，一般認為，主要與所用增強縴維或晶須和基體金屬的類型和性 能、縴維或晶須的含量及分布、縴維或晶須與基體金屬間的界麵結構及性能，以 及製備工藝過程密切相關。此外，縴維或晶須增強金屬基復閤材料還具有各嚮異 性的特點。其各嚮異性的程度取決於縴維或晶須在基體中的分布與排列方嚮。縴 維或晶須增強的金屬基復閤材料除瞭具有比強度、比模量高，耐高溫、耐磨、熱 膨脹係數小等優點，最顯著的特徵是可以采用常規設備進行製備和二次加工。但 是，目前各種基體的縴維或晶須增強普遍存在著成本高（主要受增強相成本高的影響）、塑性及韌性低等缺點。開發高性能、低成本的縴維或晶須增強體，完善 材料製備和加工工藝，提高材料的塑性和韌性，是該類復閤材料今後發展的

重點。

顆粒增強的金屬基復閤材料是由一種或多種陶瓷顆粒或金屬顆粒增強體與金 屬基體組成的復閤材料。目前的研究錶明，在這種復閤材料中增強相是主要的承載 相，而基體的作用則在於傳遞載荷、便於加工。硬質增強相造成的對基體的束縛能 阻止基體屈服。顆粒增強復閤材料的強度通常取決於顆粒的直徑、間距和體積比， 但基體的性能很重要。除此以外，這種材料的性能還對界麵性能以及顆粒排列的幾 何形狀十分敏感。顆粒增強復閤材料由於具有容易製造、性能上無方嚮性等優點， 而被廣泛應用。技術上要求通過某種製造方法，將金屬和增強顆粒燒結到一起，使 顆粒均勻分布於基體之中。由於顆粒的存在，復閤材料的強度比純基體的強度高 許多（，8，9)。

三、CNTs的發現與在復閤材料中的應用

CNTs是由日本學者IGma[M]於1991年在電弧放電法閤成富勒烯的陰極沉 積物中發現的，它可看成是石墨薄片沿固定矢量(手性矢量!)方嚮捲麯而成的 封閉管[11]。若令a!和?為石墨單胞基矢，則有!=爾！+_，由此確定的 $、n整數直接決定CNTs的結構參數(直徑和手性）。根據(m，W)不同，即使是 直徑相近的CNTs也會由於手性不同而錶現為不同的金屬性或半導體性。研究 錶明，當$—n)可以被3整除時，CNTs將錶現為金屬性，對應較寬的能帶隙； 否則，將錶現為半導體性，對應較窄的能帶隙。另外，即使同為半導體性的 CNTs，直徑的不同也會導緻能帶隙寬度的差異（成反比例）。因此可以說， CNTs是具有無限多種可能的結構類型的碳“分子”，對應無限多種的物理性質。 圖0-1(a)給齣瞭 CNTs的蜂巢結構，其中a1和?為基矢。沿$，n整數為（8， 8)、（8，0)、(10，—2)摺疊石墨片層可分彆獲得扶手椅形（armchair，圖0-1 (b))、鋸齒形（zigzag，圖 0-1(c))、手性（chiral，圖 0-1(d))CNTs[12，13]。

根據CNTs中片層石墨層數的不同，CNTs可分為單壁CNTs(single-walled CNTs，SWNTs)和多壁 CNTs (multi-walled CNTs，MWNTs)，如圖 0 -2 所 示[13]。SWNTs[14，15]可看成是由單層片狀石墨捲麯而成，結構具有較好對稱性 和單一性，且SWNTs在長度方嚮上一般是比較均勻的；而MWNTs可理解為 不同直徑的SWNTs套裝而成，層與層之間距離約為0 .34nm，與石墨(002)晶麵 間距相當。

CNTs由sp2雜化形成的C=C共價鍵結閤而成，具有管徑小、長徑比大的 特點，具有優異的性能。理論計算和實驗均錶明CNTs具有極高的強度和韌性，
圖0-1 CNTs結構及類型

(a)CNTs蜂巢結構示意圖；（b)扶手椅形CNTs; (c)鋸齒形CNTs; (d)手性形CNTs[12]
⑷ (b)

圖0-2單壁(a)和多壁(b)CNTs的模型[13]
SWNTs的彈性模量理論估計可高達5TPa，實驗測得MWNTs的彈性模量平均 為！ 8TPa，是鋼的100倍，彎麯強度為14.2GPa，所存應變能達100keV，顯示 齣超強的力學性能，而密度僅為鋼的1/6[16]。Cornwell等[17!9]通過計算發現， CNTs在受力時，可以通過齣現五邊形和七邊形對來釋放應力，錶現齣良好的自 潤滑性能，這些為CNTs自潤滑性能的應用展示瞭美好的前景。據估計，長度 大於10nm的SWNTs，其導熱係數大於2800W八m ? K)，幾乎和金剛石或藍寶 石有同樣的導熱能力2]，理論預測錶明手性矢量為（ 納米科學與技術：原位閤成碳納米管增強金屬基復閤材料 下載 mobi epub pdf txt 電子書

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