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碳纳米管以其机械性能优异,成为增强陶瓷材料的理想选择。但是由于碳纳米管难以在基体中分散均匀,且与基体之间没有较强的结合力,同时在陶瓷材料的烧结过程中,碳纳米管会受到损伤,造成整体的增强效果不明显。这其中碳纳米管的分散均匀性,是影响复合材料力学性能的主要原因。本文使用镍铝尖晶石固溶体催化生成了碳纳米管,实现了在陶瓷基体中原位合成碳纳米管的过程,制备出含有碳纳米管及氧化铝的复合粉体。
本文选取硝酸镍作为催化剂Ni元素的来源,研究了利用硝酸镍合成碳纳米管的过程。发现采用纯硝酸镍作为催化剂所得碳纳米管的直径约为50nm。由于固溶体的合成工艺对于碳纳米管的合成有重要影响,本文系统研究了采用溶胶凝胶法和共沉淀法制备固溶体粉末。采用溶胶凝胶法制备固溶体粉末,柠檬酸的加入有细化晶粒的作用,同时随着柠檬酸添加量的提高,固溶体的衍射峰增强,结晶程度变好。提高烧结温度,有助于固溶体的形成,使其结晶程度变好。当柠檬酸与金属离子之比为1∶1,煅烧温度为1150℃时,已经能够制备出结晶程度较好的镍铝尖晶石固溶体。
在分别使用经溶胶凝胶法和共沉淀法制备出的固溶体粉末经气相沉积反应原位合成了碳纳米管的过程。当气相反应温度达到850℃时,才会有碳纳米管生成。随着反应温度的提高,产物的碳含量逐渐提高,生成的碳纳米管增多。CVD反应产物的碳含量随着固溶体合成温度的提高逐渐降低。在较低温度下合成固溶体粉末其CVD反应产物的碳含量与柠檬酸的含量成反比,当固溶体合成温度逐渐高时,柠檬酸的影响逐渐降低。
综合实验结果分析,原位合成碳纳米管的最佳反应温度为1000℃,使用的固溶体的合成工艺为柠檬酸与金属离子之比为1∶1,煅烧温度为1150℃。所合成的碳纳米管直径均为50nm左右,长度约为5um左右。
与传统的加入方式相比,在陶瓷基体中原位合成碳纳米管,能使其均匀的分散在粉体中,避免了采用传统的分散和表面处理方法对碳纳米管造成结构损伤,对探索碳纳米管增强材料的制备方法有重要意义。