1、 毕 业 论 文 学生姓名： 学 号： 100605119 学 院： 材料科学与工程学院 专 业： 冶金工程 题 目： Ni-P-多壁碳纳米管复合镀层 的制备研究 指导教师： 国 栋（讲师） 评阅教师： 2014年 06月 河北科技大学毕业论文成绩评定表 姓 名 学 号 100605119 成 绩 专 业 冶金工程 题 目 Ni-P-多壁碳纳米管复合镀层的制备研究 指导教师评语及成绩 指导教师： 年 月 日 评阅教师评语及成绩 评阅教师： 年 月 日 答辩小组评语及成绩 答辩小组组长： 年 月 日 答辩委员会意见 学院答辩委员会主任： 年 月 日 注：该表一式两份，一份归档，一份装入学生毕业设
2、计说明书（论文）中。 毕 业 论 文 中 文 摘 要 自从碳纳米管被发现以来，它所具有的特殊机构和良好的性能，引起了科学家们的广泛关注，碳纳米管复合镀技术也得到迅速发展。但是，由于碳纳米管在水中的浸润性较差，在镀液中不能稳定的分散，导致碳纳米管在复合镀层中 分布不均匀，从而影响复合镀层的质量。本实验包括对购买的碳纳米管进行纯化；利用三种表面活性剂 (CTAB、曲拉通、十二烷基磺酸钠 )对碳纳米管改性；碳纳米管的分散；镀液的配制；对镀件的预处理、化学镀、取样；对样品的观察、分析。 本实验利用化学复合共沉积的方法制备碳纳米管镍磷复合镀层，获得制备均匀分散的镀液，得到理想的镀样效果。 关键词： 碳纳
3、米管；表面修饰；表面活性剂；复合镀；共沉积。 毕 业 论 文 外 文 摘 要 Title Preparation of Ni-P-multiwalled carbon nanotube composite coatings Abstract: Since carbon nanotubes were discovered, it has attracted wide attention of scientists because it has the special institutions and good performance. Carbon nanotube composite plat
4、ing technology has been developing rapidly. However, because of poor wettability of the carbon nanotubes in water and unstable in the presence of dispersed in bath, it resulted in the distribution of carbon nanotubes in the composite coating is uneven. And it affect the quality of the composite coat
5、ing. The experiment included the purchase of purified carbon nanotubes; Using three surfactants(CTAB, Triton, sodium dodecyl sulfate) on carbon nanotubes modified; A dispersion of carbon nanotubes; Configure preparation;Pretreatment of plating, electroless plating, sampling;Observation of the sample
6、 analysis. This experiment by using the method of composite chemical preparation of nickel pHospHorus compound coating, carbon nanotubes for the preparation of uniform dispersion of plating solution, get the ideal effect of plating sample. Keywords: Carbon nanotubes; Surface modification; surfactant
7、; composite plating; co-deposition. 本 科 毕 业 论 文 第 I 页 共 III 页 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 碳纳米管的结构和性质 . 1 1.2.1 碳纳米管的结构 . 1 1.2.2 碳纳米管的性质 . 2 1.3 碳纳米管纯化方法 . 2 1.3.1 引言 . 2 1.3.2 碳纳米管纯化方法 . 3 1.4 纳米复合镀技术研究现状 . 3 1.4.1 复合镀的定义 . 3 1.4.2 复合镀的原理 . 4 1.4.3 复合镀的分类 . 4 1.5 纳米复合镀层制备影响因素 . 6 1.5.1 表面活性剂的影响 .
8、 6 1.5.2 镀液成分影响 . 7 1.5.3 温度的影响 . 7 1.5.4 pH 的影响 . 7 1.6 纳米复合 镀层的特点与应用 . 7 1.6.1 纳米复合镀层的特点 . 7 本 科 毕 业 论 文 第 II 页 共 III 页 1.6.2 纳米复合镀层的应用 . 8 1.7 研究内容 . 8 第二章 实验仪器与实验方法 . 9 2.1 实验原理 . 9 2.2 实验仪器与分析仪器 . 10 2.2.1 实验仪器 . 10 2.2.2 分析仪器 . 11 2.4 实验药品试剂 . 13 2.5 实验过程 . 13 2.5.1 碳纳米管的纯化 . 13 2.5.2 真空抽滤，干燥
9、. 13 2.5.3 研磨，称量 . 13 2.5.4 加表面活性剂分散 . 14 2.5.5 镀液成分称量，配镀液 . 14 2.5.6 化学镀工艺流程 . 14 2.6 实验方法 对比法 . 14 2.6.1 表面活性剂的含量 . 15 2.6.2 pH 值 . 15 2.6.3 温度 . 15 2.6.4 镀液中的镍磷含量 . 16 2.7.1 金相显微镜观察 . 16 本 科 毕 业 论 文 第 III 页 共 III 页 2.7.2 扫描电子显微镜（ SEM）观察 . 16 第三章 实验结果分析与讨论 . 17 3.1 碳纳米管复合镀层沉积机理分析 . 17 3.2 影响碳纳米管复合
10、镀层的因素 . 18 3.2.1 表面活性剂的影响 . 18 3.2.2 pH 值的影响 . 20 3.2.4 镀液成分的影响 . 21 3.2.5 碳纳米管含量的影响 . 21 3.3 复合镀层的形貌分析 . 21 结论 . 23 参考文献 . 25 本 科 毕 业 论 文 第 1 页 共 27 页 第一章 绪论 1.1 引言 自 1991 年，由日本的一个叫 Iijima 的专家通过电弧法制造 C60 时发现了一种由同轴纳米管分子一碳纳米管 1，之后非常短的时间内，碳纳米管的各种优异性能陆续的被发现，它的应用前景不可估量。由于 CNTs 具有奇特的特征结构，从而表现出奇异的电学、磁学、电学
11、、光学以及储氢性能 2，很有希望在电磁屏蔽、纳米电 子元器件、储氢与储能、场发射、导电材料、平板显示等众多应用领域获得普遍的使用。各个学科的科学家们都对它的性能极为关注。目前，碳纳米管作为增强相能够提高金属基体和高分子材料的力学性能和导电性能，在制作高强度材料和防静电器件方面取得了一定的进展，并且经过对碳纳米管进行修饰，可产生优秀的化学、物理、光学、储能以及生物性能，在生物科学和纳米材料的分散等方面都获得了巨大的成就，因此关于碳纳米管的研究已经成为近十年来科学研究的一大热点。本章介绍了 CNTs 的结构、性质和纯化方法，然后对碳纳米管复合镀的研究现状进行了描述。 1.2 碳纳米管的结构和性质
12、1.2.1 碳纳米管的结构 碳纳米管中的结构主要以 sp2 杂化为主，而且六边型的网格构造存在一些弯曲结构，形成了空间拓扑结构，其中应该存在一些 sp3 杂化键。即构成碳纳米管的化学键，在具有 sp2 杂化的同时具有 sp3 杂化，即 sp2、 sp3 混合杂化，如图1-1 所示。碳纳米管是存在弯曲的，部分区域存在一些凸凹形貌，因为在六边形结构的编制过程当中突变成了五边形或七边形。碳纳米管的形貌有很多种，有 L 形， T 形和 Y 形等。可以按照管壁层数的分别，将碳纳米管分为单壁碳纳米管 (SWNT)和多壁碳纳图 1-1 碳纳米管的结构 本 科 毕 业 论 文 第 2 页 共 27 页 米管
13、(MWNT)。 如果碳纳米管是由一个单一的层包围石墨圆筒表面，它被称为单壁碳纳米管 ； 如果多个圆柱面和嵌入式碳纳米管，称为多壁碳纳米管 。 与单壁管壁管相比，直径的分布范围小，单壁管缺陷少，均匀，一致。 单壁碳纳米管的最经典直径是 0.6 2nm，多壁碳纳米管的最内层直径可达 0.4nm，最粗的可达几百纳米，但其典型管径为 2 100nm。 1.2.2 碳纳米管的性质 碳纳米管拥有管径小，长径比大，比表面积大的特征，使其具备杰出的性能。由于碳纳米管和很少的缺陷，如大家所知，为石墨的 C-C 键是自然界中最稳定的 最强化学键，因此碳纳米管具有强度高，韧性大和高弹性模量。 碳纳米管拥有极强的力学
14、性能，它的抗拉强度大约为 50 200GPa，是钢的抗拉强度 100 倍，但它的密度却仅仅是钢密度的 1/6；碳纳米管具有的弹性模量可达 1TPa，大约与金刚石的相当，弹性模量大约是钢的 5 倍。理想结构的碳纳米管的抗拉强度大约为 800GPa，被认为是至今为止发现的最高强度的纤维。碳纳米管和聚合物材料的结构是相似的，但它的结构是更稳定的聚合物材料。如果以其他的材料作为基体与碳纳米管制备成复合材料，可以令复合材料拥有杰出杰出的强度、抗疲劳性、各 向异性以及弹性，给复合材料的机能带来极大的改进。 碳纳米管在空气氛围中、温度在 700 以下时基本上不会被氧化，并且能够在 2800 的真空中保持稳定
15、 3，拥有非常好的热稳定性能。碳纳米管还具有非常优秀的电学性能和导热性能。理论预测，热传导性的单壁碳纳米管在室温可达6600W/(mK)4。此外，碳纳米管的电化学、生物学、光学等，广泛的应用于这些方面。 1.3 碳纳米管纯化方法 1.3.1 引言 碳纳米管之间存在非常强的范德华力并且具有非常大的长径比，因此很容易形成大的团聚体，如何提高碳纳米管的分散性 能，消除大的团聚，成为制备碳纳米管复合材料的前提条件。 碳纳米管的生长过程是一个相当复杂的进程，不管应用什么方法制备的碳纳米管都会伴生有一些杂质，如碳纳米管颗粒、催化剂、无定形碳及碳纳米球等。本 科 毕 业 论 文 第 3 页 共 27 页 碳
16、纳米管与杂质混合在一起，严重阻碍了碳纳米管的性能研究和实际应用研究，为了更好的发挥碳纳米管增强效果，必须对其进行纯化。 1.3.2 碳纳米管纯化方法 到现今为止，科学家们提出了很多对碳纳米管纯化的方法，大概分为物理法和化学法。物理法一般是依照杂质与碳纳米管之间的物理性质差别而将它们互相分离开来，如过滤法、空间排斥色 谱法、色层分离法和超声波等。化学法是根据杂质碳纳米管的被氧化速度不同，使拥有强氧化性的物质同含有杂质的碳纳米管样品反应，除去 CNTs 中的杂质，得到纯净的碳纳米管。例如，气相氧化、液相氧化以及插层氧化等方法。因为碳纳米管同其它杂质成分的物理性质很相近，采用常规的物理方法很难将碳纳
17、米管与其它形式的碳分子分离，所以需要采用化学的方法对碳纳米管进行纯化。如今，使用化学纯化碳纳米管的方法有许多，但因为使用液相氧化法纯化碳纳米管不但能够提纯碳纳米管，并且能够在碳纳米管的表面加入少许化学官能团，使碳纳米管的活性变强，有利 于制备复合材料。因此，目前采用最多的是液相氧化法纯化碳纳米管。液相氧化法是在液体氧化剂中进行，常用的液体氧化剂有硫酸、硝酸、硫酸和硝酸的混合酸以及高锰酸钾溶液等5， 6。纯化碳纳米管的液相氧化方法主要是石墨颗粒，无定形碳和碳纳米颗粒很容易被氧化，但碳纳米管的形状稳定，在一定的条件下，不易氧化，所以可以使用具有强氧化能力的氧化剂把这些杂质氧化。此外，气相氧化法可以
18、提高碳纳米管的质量，所以也常被用来纯化碳纳米管。其原理是氧化剂存在下，五和七元环会氧化，而六元环需要高温才能氧化。于是，无定形炭、碳纳米颗粒、碳纳 米球的氧化温度要比碳纳米管的氧化温度低 6，从而获得纯净碳纳米管，去除掉杂质。 1.4 纳米复合镀技术研究现状 1.4.1 复合镀的定义 采取电镀和化学镀的方法，在搅拌状态下使加入到镀液中的纳米微粒与基质金属共沉积从而得到复合涂层，称为纳米复合涂层或纳米复合镀层。而纳米复合镀层的制备技术称为纳米复合镀技术。 伴随着纳米材料的发展，大家也更加了解纳米粒子的性质。纳米粒子具备许多杰出的物理化学性能 7， 8， 包含小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观
