碳纳米管增强陶瓷复合材料的研究进展.pdfVIP

碳纳米管增强陶瓷复合材料研究进展 林文松，杨琪，何亮 (上海工程技术大学材料工程学院，上海201620) 摘要：从制备方法、力学性能和未来的应用前景等方面综述了碳纳米管增强陶瓷基复合材料的 研究现状，讨论了研究中存在的问题及相应的解决方法，探讨了碳纳米管增强陶瓷复合材料的 发展趋势。 关键词：碳纳米管，陶瓷，复合材料，增强 1引言 碳纳米管(carbonnanotube，CNTs)由于其独特的结构而具有许多优异的性能，其弹性模量 与金刚石相当，拉伸强度为高强度钢的100倍，具有非常高的长径比(5000～50000)，而且具有高 韧性，在失效前能承受很大的应变n一1。CNTs的热稳定性也很高，在真空中可稳定到2800℃，在 空气中750℃以上才会发生明显氧化b1。因此，采用碳纳米管增强各类基体材料，制备结构、功能 以及结构／功能一体化复合材料方面已成为碳纳米管研究中的一个新热点Hjl。本文从制备方法、力 学性能和未来的应用前景等方面综述了碳纳米管增强陶瓷复合材料的研究现状，讨论了研究中存在 的问题及相应的解决方法，探讨了碳纳米管增强陶瓷复合材料的发展趋势。 2 CNTs／陶瓷基复合材料的制备 制备碳纳米管／陶瓷基复合材料首先需要解决两个方面的问题，一是碳纳米管如何实现在 基体中均匀分散；二是如何使碳纳米管在高温烧结时结构不受破坏。 CNTs在陶瓷复合材料中的主要作用是提高陶瓷基体的韧性，或者说是提高陶瓷基体抑制裂 纹扩展的能力。要充分发挥CNTs在陶瓷复合材料中的增韧作用，前提是CNTs能在陶瓷基体中 均匀分散并与基体之问形成较强的界面结合。由于CNTs尺寸细小、而长径比巨大，使其在陶 瓷中的均匀混合非常困难。解决CNTs在陶瓷基体中均匀分散问题的常见方法之一是将CNTs分 散在液相体系中，再采用各种方法将陶瓷颗粒分散在该液相体系中，而后使CNTs和陶瓷颗粒 共沉淀，洗涤、干燥后得到混合均匀的复合粉体。为了达到CNTs在液相中稳定悬浮分散的效 果，通常采用在液相中添加适当的表面活性剂(分散剂)，或者对CNTs进行表面氧化改性处理， 使之在管壁产生各种官能团，从而改善碳纳米管的分散性阳1¨。由于分散剂在随后的烧结过程 中无法完全排除，在很多情况下，采用这种方法将不可避免地在复合材料中引入杂质∞喝1。CNTs 在表面氧化改性一般在热的浓硝酸或者浓硝酸与浓硫酸组成的混合酸中进行阳·101。例如，孙静 (JSun)等人嫡1分别使用阴、阳离子分散剂分散多壁碳纳米管与氧化铝，制备出相应的稳定 悬浮液；然后将氧化铝悬浮液逐滴加入到碳纳米管悬浮液中，得到沉淀；将得到的沉淀物洗涤、 干燥后即可得到混合均匀的复合粉体。Seung等人旧1则用HF酸、硝酸和硫酸对碳纳米管进行表 面氧化处理，去除制备过程中残余的催化粒子并引入大量官能团。然后将处理过的碳纳米管置 于去离子水中超声分散，获得分散均匀的悬浮液；接着将Al(N0。)3e9H。0加入到该悬浮液中， 并超声分散：混合溶液加热蒸发水分、结晶后得到粉体，该粉体经煅烧后得到混合均匀的 CNTs／A1203混合粉体。 采用传统球磨的方法也可以制备CNTs／陶瓷复合粉体，这种方法尤其适合CNTs含量低到中 等的场合n卜埘。李爱引121等人采用制备了CNTs增韧羟基磷灰石复合材料。结果表明，CNTs的 加入能小幅度提高羟基磷灰石的弯曲强度和断裂韧性，原因在于CNTs难以在羟基磷灰石基体 中均匀分散，此外，在1200℃下烧结时，大部分CNTs发生了分解或晶型转变，实际CNT含 量变少，因而复合材料的力学性能不高。Peigney等人n驯采用超塑性加工方法，首先将超细陶 瓷粉末与CNTs球磨混合，而后通过高温挤压工艺制备CNTs／陶瓷复合材料，这种工艺过程中， CNTs成高度有序排列。 针对CNTs在陶瓷基体中难以分散均匀以及难以制备高含量CNTs／陶瓷复合材料的问题， 开发出一种原位生成CNTs的制备工艺。这种方法是先将陶瓷粉体与催化剂均匀混合，然后利 A等 为气源，在H2还原作用下，催化剂原位催化裂解CH4生成CNTs，从而可以获得高体积分数(25 ％)均匀分布的CNTs／金属一氧化物复合粉。如果将固溶体制备成多孔体，则CNTs的含量还可 大大提高。Xia等人u们以多孔氧化铝作阳极板，将钴、镍(作为CNTs的催化剂)沉积在该基 体上，然后采用CVD法制备