微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法在碳纤维上制备碳纳米管

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)武汉工程大学 作者:孔垂雄

  利用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法在碳纤维上制备了碳纳米管,并在此基础上系统地研究了微波功率、反应时间、催化剂前驱体的吸附时间以及吸附浓度对碳纳米管生长的影响。采用扫描电子显微镜(SEM)对样品的表面形貌进行表征。结果表明,微波功率、反应时间对碳纳米管的形貌有很大影响,此外,随着吸附时间的增加,碳纳米管的生长速度快且产量高;吸附浓度很大时,碳纤维表面上产生了大量的无定形碳和石墨,严重影响了碳纳米管的生长质量。

  引言

  尽管碳纤维的轴向强度和模量高、无蠕变、耐疲劳性好,比热及导电性介于非金属和金属之间,热膨胀系数小,耐腐蚀性好,纤维的密度低,X射线透过性好,但其活性比表面积小、表面能低,且碳纤维与基体之间的结合力小,使得碳纤维复合材料的剪切强度和弯曲强度很低。因此,碳纤维的表面修饰增强界面结合力是在未来很长的一段时间内的研究热点。

  过去研究者常用纤维涂层来修饰碳纤维的界面特性,提高碳纤维复合材料的机械性能。自1991年以来,碳纳米管引起了广泛的关注。碳纳米管由于具有导电性好、比表面积大、优良的机械强度等众多优点,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为是具有高性能结构和多功能复合材料的下一代候选材料。碳纳米管混合碳纤维是一个表面修饰碳纤维的新方式。

  笔者以碳纤维作为基体材料,利用实验室自制的微波等离子体化学气相沉积的设备在碳纤维的表面生长碳纳米管,并在此基础上系统地研究了微波功率、反应时间、吸附时间以及吸附浓度对碳纳米管生长的影响,从而为微波等离子体化学气相沉积法在碳纤维上制备碳纳米管提供技术基础。

1、实验部分

  碳纤维上制备碳纳米管所用仪器为本实验室自行研制的微波等离子体化学气相沉积装置。由于碳纤维耐冲击性较差,容易损伤,在强酸作用下发生氧化,与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此,碳纤维在使用前须进行表面处理。取一定量的丙酮,将密度为1.75 g/cm3,形状切成10 mm×20 mm的长方形碳纤维放入丙酮溶液中,超声振荡30 min来去除碳纤维表面的保护胶膜。为了更好地提高碳纤维的吸附能力,将去胶后的碳纤维放入体积比为3:1的浓硫酸和浓硝酸的混酸中进行水浴处理,水浴温度为80 ℃,处理时间为4 h。将混酸处理过的碳纤维用去离子水反复冲洗直到水溶液的PH值为7。然后用碳纤维吸附浓度为0.05~0.50 mol/L的硝酸镍溶液吸附若干小时,待吸附完全后在真空干燥箱内60 ℃烘干。最后在碳纤维上生长碳纳米管。

  实验过程中采用甲烷和氢气作为反应气体,在一定的气压下研究了微波功率、反应时间、吸附时间和吸附浓度对碳纤维上碳纳米管生长情况的影响。制备得到的样品的表面形貌通过JSM-5510LV型扫描电子显微镜(SEM)进行表征。

3、结论

  (1)微波功率、反应时间对碳纳米管的形貌有很大影响,在其他条件一定的情况下,碳纤维上生长碳纳米管的最佳工艺:氢气流量为55 ml/min,甲烷的流量为3.3 ml/min,反应气压为4.5 kPa,微波功率为500 W,反应时间为60 min;

  (2)随着吸附时间的延长,碳纤维表面的硝酸镍颗粒吸附的比较完全,在生长过程中,每一个位置都会有硝酸镍颗粒作为催化生长碳纳米管的催化剂;相反当吸附时间较短时,碳纤维表面吸附的硝酸镍本身就不均匀,所以表面形貌就显得十分不均匀;

  (3)吸附浓度对碳纤维上生长碳纳米管的影响主要表现在对碳纳米管的管径大小和分散性的影响,吸附浓度低时碳纳米管的管径普遍较小,大约为10 nm,且碳纳米管在碳纤维上的分散不均匀;吸附浓度较大时碳纤维表面产生了大量的无定形碳和石墨,其原因可能是吸附浓度过高,导致催化生长碳纳米管的Ni粒子颗粒太大,严重影响了碳纳米管的生长。

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