论文部分内容阅读
壁虎优异的爬壁性能来源于其脚掌的精细结构,设计并制备这种具有优异黏附性能的仿壁虎刚毛对爬壁机器人等具有非常重要的意义。碳纳米管具有优异的力学、光学和热学性能等,其尺寸可达纳米级别,成为仿壁虎刚毛的热门材料。本文通过化学气相沉积法可控制备了具有优异黏附性能的碳纳米管阵列,研究了其黏附特性,分析了各工艺参数的影响。具体研究内容如下:(1)在常压环境下,通过CVD法制备了具有不同催化剂基底的碳纳米管阵列,分析了各工艺参数的影响。氢气能够还原催化剂,优化催化剂颗粒形貌和质量,显著影响碳纳米管阵列的质量;沉积时间越长,碳纳米管生长的越高,但是存在限值,并且时间越长杂质和缺陷也会越多。(2)催化剂对碳纳米管阵列的生长起决定性的作用。本文以Fe作为主要的催化剂,因为Fe对C原子有很高的溶解度能够形成FeC3,在高温下C原子在铁内能够快速转移并饱和析出生长碳纳米管。以SiO2/Al2O3为支撑层,Al2O3的多孔状结构能够让铁颗粒的分布均匀,优化熔融状态下细小致密的铁颗粒形成,但Al2O3层过厚则容易造成更多的催化剂扩散损失。致密的SiO2层则能够减少催化剂的损失。(3)在常规低压CVD工艺的基础上通过鼓泡工艺在碳纳米管的生长过程中引入了弱氧化剂H2O。弱氧化剂能够刻蚀催化剂周围的无定形碳,增强催化剂的活性,使碳纳米管能够更长时间的生长。通过分析水蒸气含量的影响我们发现,较少的水能够显著改善碳纳米管的生长,使其长得更高,缺陷更少;但是过多的水由于刻蚀作用强而导致碳纳米管无法生长,因此30 sccm水蒸气(Ar)最为适中。(4)通过黏附力测试装置对聚合物PVS和碳纳米管阵列干黏附材料进行黏附性能测试。测试结果表明,在低压100 torr环境下,以SiO2/Al2O3/Fe=300 nm/20 nm/2 nm为催化剂基底,气体流量比为H2:C2H4:Ar=177:272:734 sccm的CVD工艺制备的碳纳米管阵列具有超强的黏附能力,达到32.9 N/cm2,但是其法向黏附力却很弱。与此相反,聚合物PVS具有强的的法向黏附力,但是其切向黏附力较弱。水辅助法虽然能够制备得到更高的碳纳米管,但是其黏附性能却大大降低。