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内容简介

　　碳纳米结构具有优异的物理和力学性能而成为金属基复合材料的理想增强体。保证碳纳米相在金属基体中的分散均匀、界面结合良好和结构完整性是获得高性能金属基复合材料需要解决的关键的科学问题。《纳米科学与技术：原位合成碳纳米管增强金属基复合材料》阐述了金属基体对催化合成碳纳米相的作用机制和碳纳米相的生长机理，阐明了不同结构碳纳米相的热稳定性和相演变规律，介绍了利用化学气相沉积技术，直接在不同金属基体上催化合成碳纳米结构，实现其可控生长的方法和途径。介绍了采用粉末冶金法制备碳纳米相增强金属基（铝基，铜基）复合材料，阐述金属基体与碳纳米相的相互作用以及增强相对金属的强化机理。

目录

目 录
《纳米科学与技术》丛书序
前言
绪论 1
第一篇碳纳米相的合成与表征
第1章碳纳米相的结构与性能 15
1. 1 CNTs 15
1.1.1 CNTs 的分类 16
1.1.2 CNTs 的结构 19
1.1.3 CNTs 的性能 24
1.2碳洋葱 30
1.2.1碳洋葱的结构 30
1 .2.2碳洋葱的性能 32
1 .3碳包覆金属纳米颗粒 32
1 .3. 1碳包覆金属纳米颗粒的结构 32
1 .3.2碳包覆金属纳米颗粒的性能 34
参考文献 36
第2章碳纳米相的制备方法 4 1
2. 1碳纳米相的制备方法简介 4 1
2. 1 . 1 电弧放电法 4 1
2. 1 .2激光烧蚀法 42
2. 1 .3化学气相沉积法 42
2. 1 .4其他方法 43
2.2化学气相沉积法的影响因素 43
2.2. 1催化剂的种类 43
2.2.2碳源种类 44
2.2.3载体作用 45
2.2.4 载气作用 46
2.3碳纳米相的生长机理 46
2.3. 1 CNTs的生长机理 46
2.3.2碳洋葱的生长机理 47
参考文献 48
第3章碳纳米相的表征方法 53
3. 1 电子显微镜与原子力显微镜 53
3.2拉曼光谱 55
3.3 XPS与傅里叶红外光谱 58
3.4其他表征手段 60
3.4.1 热重分析 60
3.4.2 XRD 60
3.4.3 UV-VIS 61
3.4.4紫外光电子能谱 61
3.4.5元素分析与能量色散谱仪 61
参考文献 62
第二篇金属基体上原位合成碳纳米相的研究
第4章碳纳米相在铝基体上的合成 69
4.1 催化剂 69
4.1.1催化剂的制备 69
4.1.2催化剂的表征 70
4.2原位合成CNTs的影响因素探讨 72
4.2.1 催化剂类型 72
4.2.2催化剂含量 87
4.2.3反应温度 90
4.2.4反应时间 94
4.2.5反应气比例 97
4. 2. 6反应载气种类 97
4. 3原位合成碳洋葱的影响因素探讨 101
4.3.1催化剂的表征 101
4.3.2反应温度 102
4.3.3反应时间 104
4.3.4 反应载气种类 104
4.4碳包覆金属纳米晶的合成及性能 107
4.4.1碳包覆M纳米颗粒的结构分析 107
4.4.2碳包覆M纳米颗粒的磁性能 107
4.4.3碳包覆M纳米颗粒的摩擦学性能 109
参考文献 110
第5章碳纳米相在Cu基体上的合成 113
5.1催化剂的选择 113
5.1.1 Ni/Y/Cu 催化剂 116
5.1.2 Ni/Ce/Cu 催化剂 117
5.2催化剂的热稳定性 120
5.2.1 Ni/Y/Cu 催化剂 120
5.2.2 Ni/Ce/Cu 催化剂 122
5.3制备工艺对Cu载体催化剂活性的影响 124
5.3.1溶液浓度对催化剂活性和产物形貌的影响 124
5.3.2煅烧温度对催化剂活性和产物形貌的影响 12 5
5 .3.3还原温度对催化剂活性和产物的影响 128
5 . 4反应合成工艺对Ni/Y/Cu催化剂活性和产物形貌的影响 130
5 .4.1反应气比例对产物产率和形貌的影响 130
5 .4.2反应温度对产物产率和形貌结构的影响 131
5 . 5反应合成工艺对Ni/Ce/Cu催化剂活性和产物形貌的影响 13 5
5 . 6稳定剂含量对催化剂热稳定性及催化性能的影响 141
参考文献 146
第6章碳纳米相在其他金属基体上的合成初探 147
6. 1 Ti 基体 147
6.1.1合成温度的影响 147
6.1.2催化剂M含量的影响 1 5 1
6.1.3催化剂前驱体还原温度的影响 153
6.1.4反应气与载气比例对最终产物的影响 155
6.1.5载气类别对反应产物的影响及其与温度的关系 158
6. 2 Mg 基体 160
6.3 Ag 基体 163
参考文献 166
第7章碳纳米相在金属基体上的生长机理探讨 168
7.1 A1基体上原位合成碳纳米相的机理 169
7.2 Cu基体上原位合成碳纳米相的机理 175
参考文献 180
第三篇CNTs原位增强金属基复合材科
第8章CNTs增强金属基复合材料的研究现状 185
8. 1 CNTs增强金属基复合材料的制备方法 1 85
8. 1 . 1粉末冶金法 1 85
8. 1 .2熔体浸渍法 1 87
8. 1 .3搅拌铸造法 1 87

8. 1 .4 原位合成法 1 88

8. 1 .5喷射沉积法 1 89

8. 1 .6电化学沉积法 1 90

8.2 CNTs与金属的界面结构 1 90

8.2. 1界面在复合材料中的作用 1 90

8.2.2复合材料界面结构类型 1 9 1

8.2.3 CNTs与金属的界面 1 92

8.3 CNTs增强金属基复合材料的性能 1 94

8.3. 1 CNTs/A1复合材料的性能 1 94

8.3.2 CNTs/Cu复合材料的性能 1 95

8.3.3其他金属基体的复合材料性能 1 96

8.4 CNTs增强金属基复合材料的强化机理 1 96

8.4. 1混合定律 1 97

8.4.2细晶强化机制 1 98

8.4.3位错强化机制 1 98

8.4.4弥散强化机制 1 99

8.4.5载荷强化机制 1 99

参考文献 200

第9章原位合成CNTs/A1复合材料的结构与性能 205

9. 1 CNTs/Al复合材料的结构与性能 205

9. 1 . 1 CNTs/Al复合材料中CNTs的稳定性 206

9.1.2 CNTs/Al复合材料的致密度 207

9.1.3 CNTs/Al复合材料的压缩性能 209

9.1.4 CNTs/Al复合材料的耐蚀性 211

9.2原位合成-短时球磨-粉末冶金法制备CNTs/Al复合材料 214

9.2.1球磨转速和过程控制剂的选择 215

9.2.2球磨时间对CNTs/Al复合材料组织和力学性能影响 218

9.2.3 CNTs含量对CNTs/Al复合材料组织和力学性能影响 223

9.2.4 CNTs/Al复合材料的热膨胀系数 229

参考文献 232

第10章原位合成CNTs(CNFs)/CU复合材料的结构与性能 234
10.1 CNTs(CNFs)/Cu复合粉末的制备与表征 235

10.1.1低含量催化剂在Cu基体上的分布 236

10.1.2反应时间对产物产率的影响 236

10.1.3低含量催化剂制备CNF (M/Y)/Cu原位复合粉末的表征 237

10.1.4共沉积混合后复合粉末的结构表征 238

10. 2热处理对原位复合粉末及复合材料性能的影响 241

10. 3还原温度对复合粉末形貌及复合材料性能的影响 247

10.4粉末冶金制备工艺对复合材料性能的影响 250

10.5 CNFs(Ni/Y)/Cu复合材料的微观组织形貌 253

10.5.1 CNFs(M/Y)/Cu复合材料的微观组织分析 253

10.5.2 CNFs(Ni/Y)/Cu复合材料压缩断口形貌分析 256

10.5.3 CNFs(Ni/Y)/Cu复合材料的弯曲断口形貌分析 258

10.6 CNFs(Ni/Y)/Cu复合材料的物理力学性能 259

10.6.1 CNFs含量对复合材料密度和电导率的影响 259

10.6.2 CNFs含量对复合材料硬度和屈服强度的影响 259

10.6.3 CNFs(M/Y)/Cu复合材料的热膨胀行为 260

参考文献 263

第11章原位合成CNTs增强其余金属基体复合材料的结构与性能 265
11. 1 CNTs/Ti复合材料的结构与性能 265
11.1.1 CNTs/Ti复合材料的制备工艺 265
11.1.2 CNTs/Ti复合材料的微观组织结构 266
11.1.3 CNTs/Ti复合材料的力学性能研究 272
11.1.4 CNTs/Ti复合材料的摩擦磨损性能研究 275
11.1.5 CNTs/Ti复合材料强化机制探讨 279
11. 2 CNTs/Mg复合材料的结构与性能 281
11.2.1 CNTs/Mg复合材料的制备工艺 281
11.2.2 CNTs含量对复合材料性能的影响 284
11.2.3 CNTs/Mg复合材料的物理性能 287
11.2.4 CNTs/Mg复合材料的成分与界面研究 289
参考文献 292
第12章原位增强碳/金属基复合材料的强化机理 293
12. 1 CNTs/金属基体界面结合的机理研究 293
12.1.1缺陷对CNTs上金属原子吸附的影响 294
12.1.2缺陷对金属表面与CNTs间相互作用的影响 296
12. 2 CNTs原位增强金属基复合材料界面的实验分析 298
12.2.1反应型界面增强(CNTs/Al) 298
12.2.2非反应型界面增强(CNTs/Cu) 302
参考文献 302
第13章应用和展望 304
13. 1化学原位合成方法在制备金属基复合材料中的优势 304
13.2原位合成CNTs在不同基体中的特点 305
13.2.1 A1 基体 305
13.2.2 Cu 基体 305
13.2.3其他金属基体 306
13.3存在的问题与解决途径 307
13. 4 CNTs作为金属基复合材料增强体的发展前景 308
索引 309

精彩书摘

绪 论
一、金属基复合材料的发展历史

在人类社会的发展过程中"材料的发展水平始终是时代进步和社会文明的标 志。人类和材料的关系不仅广泛密切，而且非常重要。事实上，人类文明的发展 史，就是一部如何更好地利用材料和创造材料的历史。同时，材料的不断创新和 发展，也极大地推动了社会经济的发展。在当代，材料、能源、信息是构成社会 文明和国民经济的三大支柱，其中材料更是科学技术发展的物质基础和技术 先导。

两万五千年前人类开始学会使用各种用途的锋利石片，一万年前人类第一次 有意识地创造了自然界没有的新材料(陶器），这是人类社会进步的象征，也是社 会经济发展的结果。继陶器时代之后，由于人们生活方式的变化和战争等方面的 原因，青铜的冶炼技术被发明并逐步达到很高的水平。到18世纪，钢铁工业的 发展成为产业革命的重要内容和物质基础。19世纪中叶，现代平炉和转炉镍管 炼钢技术的出现使人类真正进入了钢铁时代。与此同时，铜、铅、锌也大量得到 应用，铝、镁、钛等金属相继问世并得到应用。直到20世纪中叶，金属材料在 材料工业中一直占据主导地位。之后，科学技术迅猛发展，作为“发明之母”和 “产业粮食”的新材料又出现了划时代的变化。首先是人工合成高分子材料问世并 得到广泛应用，仅半个世纪时间，高分子材料就与有上千年历史的金属材料并驾 齐驱，并在年产量(体积)上超过了钢，成为国民经济、国防尖端科学和高科技领 域不可缺少的材料。其次是陶瓷材料的发展。陶瓷是人类最早利用自然界所提供 的原料制造的材料。20世纪50年代，合成化工原料和特殊制备工艺的发展，使 陶瓷材料产生了一个飞跃，出现了从传统陶瓷向先进陶瓷的转变，许多新型功能 陶瓷形成了产业，满足了电力、电子技术和航天技术发展的需要。

现在人们按化学成分的不同将材料划分为金属材料、无机非金属材料和有机 高分子材料三大类以及它们的复合材料。金属材料科学主要是研究金属材料的成 分、组织、结构、缺陷与性能之间内在联系的一门学科。金属材料科学与工程的 工作者还要研究各种金属冶炼和合金化的反应过程与相的关系，金属材料的制备 方法和形成机理，结晶过程以及材料在制造及使用过程中的变化和损毁机理。对 其按化学成分进行分类可以分为钢铁、有色金属以及复合金属材料。按用途分类 包括结构材料和功能材料14]。
金属基复合材料(metal matrix composites， MMCs)是在树脂基复合材料的 基础上发展起来的，它是以金属或合金为基体，以不同材料的纤维或颗粒为增强 物的复合材料。其特点在于有一个连续的金属或者合金基体，其他组元相则是均 勻地分布在金属基体中。近代金属基复合材料的研究始于1924年Schmit[5]关于 铝/氧化铝粉末烧结的研究工作。在20世纪30年代，沉淀强化理论出现（，]，并 在以后的几十年中得到很大发展；60年代，金属基复合材料已经发展成为复合 材料的一个新的分支；"0年代，日本丰田公司首次将陶瓷纤维增强铝基复合材 料用于制造柴油发动机活塞，从此金属基复合材料的研制与开发工作得到了快速 发展。土耳其的S Eroglu等用离子喷涂技术制得了 NiC'-Al/Mg0-Zr02功能梯度 涂层。目前，金属基复合材料已经引起有关部门的高度重视，特别是航空航天部门 推进系统使用的材料，其性能已经接近极限。因此，研制工作温度更高，比刚度、 比强度大幅度提升的金属基复合材料，已经成为发展高性能材料的一个重要方向。 1990年，美国在航天推进系统中形成了 3250万美元的高级复合材料（主要为 MMCs)市场，年平均增长率为16%，远远高于高性能合金的年增长率[2’8]。
增强体是金属基复合材料的关键组分之一，具有增强强度和刚度、改善性能 的作用。由于金属基复合材料的成型温度一般较高，为了避免高温条件下发生有 害的化学反应，必须选择耐高温的增强材料。而且，为了形成良好的界面结合， 要求增强材料与基体之间具有良好的浸润性。有时考虑到界面结合与界面反应问 题，还需要对增强材料进行预处理。

金属基复合材料的增强体按照形态的不同主要分为颗粒增强相、纤维(包括 长纤维和短纤维)或晶须增强相。长纤维增强相主要有硼纤维、碳纤维、氧化铝 纤维、碳化硅纤维等；短纤维增强的材料主要有氧化铝纤维、氧化硅纤维；增强 晶须主要有碳化硅晶须、氧化铝晶须、氮化硅晶须。纤维或晶须增强的复合材料 中高强度、高模量增强纤维或晶须是主要的承载组元，而基体金属则是起到固结 高性能纤维或晶须、传递载荷的作用。纤维或晶须增强的复合材料的性能受到多 种因素的影响，一般认为，主要与所用增强纤维或晶须和基体金属的类型和性 能、纤维或晶须的含量及分布、纤维或晶须与基体金属间的界面结构及性能，以 及制备工艺过程密切相关。此外，纤维或晶须增强金属基复合材料还具有各向异 性的特点。其各向异性的程度取决于纤维或晶须在基体中的分布与排列方向。纤 维或晶须增强的金属基复合材料除了具有比强度、比模量高，耐高温、耐磨、热 膨胀系数小等优点，最显著的特征是可以采用常规设备进行制备和二次加工。但 是，目前各种基体的纤维或晶须增强普遍存在着成本高（主要受增强相成本高的影响）、塑性及韧性低等缺点。开发高性能、低成本的纤维或晶须增强体，完善 材料制备和加工工艺，提高材料的塑性和韧性，是该类复合材料今后发展的

重点。

颗粒增强的金属基复合材料是由一种或多种陶瓷颗粒或金属颗粒增强体与金 属基体组成的复合材料。目前的研究表明，在这种复合材料中增强相是主要的承载 相，而基体的作用则在于传递载荷、便于加工。硬质增强相造成的对基体的束缚能 阻止基体屈服。颗粒增强复合材料的强度通常取决于颗粒的直径、间距和体积比， 但基体的性能很重要。除此以外，这种材料的性能还对界面性能以及颗粒排列的几 何形状十分敏感。颗粒增强复合材料由于具有容易制造、性能上无方向性等优点， 而被广泛应用。技术上要求通过某种制造方法，将金属和增强颗粒烧结到一起，使 颗粒均匀分布于基体之中。由于颗粒的存在，复合材料的强度比纯基体的强度高 许多（，8，9)。

三、CNTs的发现与在复合材料中的应用

CNTs是由日本学者IGma[M]于1991年在电弧放电法合成富勒烯的阴极沉 积物中发现的，它可看成是石墨薄片沿固定矢量(手性矢量!)方向卷曲而成的 封闭管[11]。若令a!和?为石墨单胞基矢，则有!=爾！+_，由此确定的 $、n整数直接决定CNTs的结构参数(直径和手性）。根据(m，W)不同，即使是 直径相近的CNTs也会由于手性不同而表现为不同的金属性或半导体性。研究 表明，当$—n)可以被3整除时，CNTs将表现为金属性，对应较宽的能带隙； 否则，将表现为半导体性，对应较窄的能带隙。另外，即使同为半导体性的 CNTs，直径的不同也会导致能带隙宽度的差异（成反比例）。因此可以说， CNTs是具有无限多种可能的结构类型的碳“分子”，对应无限多种的物理性质。 图0-1(a)给出了 CNTs的蜂巢结构，其中a1和?为基矢。沿$，n整数为（8， 8)、（8，0)、(10，—2)折叠石墨片层可分别获得扶手椅形（armchair，图0-1 (b))、锯齿形（zigzag，图 0-1(c))、手性（chiral，图 0-1(d))CNTs[12，13]。

根据CNTs中片层石墨层数的不同，CNTs可分为单壁CNTs(single-walled CNTs，SWNTs)和多壁 CNTs (multi-walled CNTs，MWNTs)，如图 0 -2 所 示[13]。SWNTs[14，15]可看成是由单层片状石墨卷曲而成，结构具有较好对称性 和单一性，且SWNTs在长度方向上一般是比较均匀的；而MWNTs可理解为 不同直径的SWNTs套装而成，层与层之间距离约为0 .34nm，与石墨(002)晶面 间距相当。

CNTs由sp2杂化形成的C=C共价键结合而成，具有管径小、长径比大的 特点，具有优异的性能。理论计算和实验均表明CNTs具有极高的强度和韧性，
图0-1 CNTs结构及类型

(a)CNTs蜂巢结构示意图；（b)扶手椅形CNTs; (c)锯齿形CNTs; (d)手性形CNTs[12]
⑷ (b)

图0-2单壁(a)和多壁(b)CNTs的模型[13]
SWNTs的弹性模量理论估计可高达5TPa，实验测得MWNTs的弹性模量平均 为！ 8TPa，是钢的100倍，弯曲强度为14.2GPa，所存应变能达100keV，显示 出超强的力学性能，而密度仅为钢的1/6[16]。Cornwell等[17!9]通过计算发现， CNTs在受力时，可以通过出现五边形和七边形对来释放应力，表现出良好的自 润滑性能，这些为CNTs自润滑性能的应用展示了美好的前景。据估计，长度 大于10nm的SWNTs，其导热系数大于2800W八m ? K)，几乎和金刚石或蓝宝 石有同样的导热能力2]，理论预测表明手性矢量为（

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